Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác từ tính trên cơ sở TiO₂ và ứng dụng để xử lý thuốc trừ sâu Diazinon trong nước

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu quang xúc tác từ tính trên cơ sở TiO₂ và ứng dụng để xử lý thuốc trừ sâu Diazinon trong nước

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ VÂN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ TiO2 VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ THUỐC TRỪ SÂU DIAZINON TRONG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2020
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ VÂN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TỪ TÍNH TRÊN CƠ SỞ TiO2 VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ THUỐC TRỪ SÂU DIAZINON TRONG NƢỚC Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Minh Phƣơng PGS.TS. Chu Ngọc Châu Hà Nội – 2020
3. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Minh Phƣơng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành bản Luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Chu Ngọc Châu người đã trực tiếp giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện bản Luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa hóa học - Trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội, đặc biệt là Phòng thí nghiệm Hóa Môi Trường đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các anh, chị, em và các bạn phòng Hóa môi trường đã giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này. Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian vừa qua. Hà Nội, 16 tháng 06 năm 2020 Học viên Phạm Thị Vân
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Tổng quan về hóa chất bảo vệ thực vật .......................................................... 3 1.1.1. Tổng quan về tình hình sử dụng và vấn đề ô nhiễm thuốc trừ sâu ở Việt Nam ................................................................................................................ 3 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do thuốc BVTV ............................................. 6 1.1.3. Con đường phân tán của thuốc BVTV trong môi trường ................................ 7 1.1.4. Ảnh hưởng của thuốc BVTV đến sức khỏe con người ..................................... 9 1.2. Tổng quan về Diazion ................................................................................... 10 1.3. Vật liệu quang xúc tác .................................................................................. 13 1.3.1. Cấu trúc vật liệu TiO2 .................................................................................. 13 1.3.2. Vật liệu TiO2 biến tính ................................................................................ 18 1.4. Vật liệu từ tính TiO2@Fe3O4 ........................................................................ 20 1.5. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu từ tính TiO2@Fe3O4 .......................... 23 1.5.1. Phương pháp tẩm ........................................................................................ 23 1.5.2. Phương pháp đồng kết tủa ........................................................................... 23 1.5.3. Phương pháp sol – gel [3,5] ........................................................................ 23 1.5.4. Phương pháp thủy nhiệt ............................................................................... 24 1.6. Ứng dụng của vật liệu TiO2 và vật liệu từ tính trên cơ sở TiO2.................. 25 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 28 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu và nội dung nghiên cứu ............................................ 28 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 28 2.1.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 28 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu .................................................... 28 2.2.1. Hóa chất ...................................................................................................... 28 2.2.2. Dụng cụ và thiết bị ....................................................................................... 29
5. 2.3. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu .................................................................... 29 2.3.1. Tổng hợp vật liệu Fe-TiO2 ........................................................................... 29 2.3.2. Tổng hợp vật liệu Fe3O4 ............................................................................... 30 2.3.3. Tổng hợp SiO2 phủ trên Fe3O4 (SF).............................................................. 31 2.3.4. Quy trình tổng hợp Fe-TiO2@Fe3O4 ............................................................ 32 2.3.5. Tổng hợp vật liệu Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 .................................................... 33 2.4. Khảo sát hoạt tính xúc tác ............................................................................ 34 2.4.1. Thí nghiệm khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu đối với Diazinon ................... 34 2.4.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của các vật liệu .................................................. 35 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng của vật liệu ................................................ 36 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH ........................................................................ 36 2.4.5. Khảo sát của ảnh hưởng của nồng độ chất oxi hoá bổ trợ H2O2 tới hoạt tính xúc tác của vật liệu ................................................................................................ 36 2.4.6. Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu ........................................................ 36 2.5. Một số phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc và tính chất của vật liệu .... 36 2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD - X Rays Diffraction) ............................. 36 2.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................... 38 2.5.3. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis ............................................................... 39 2.5.4. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX)............................................... 39 2.6. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC định lƣợng Diazinon ....... 41 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 44 3.1. Đặc trƣng cấu trúc vật liệu ........................................................................... 44 3.1.1. Thành phần pha của vật liệu (giản đồ nhiễu xạ tia X -XRD) ........................ 44 3.1.2. Đặc trưng hình thái bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ... 45 3.1.3. Phổ UV-Vis .................................................................................................. 47 3.1.4. Đường cong từ trễ........................................................................................ 49 3.2. Thành phần hóa học của vật liệu (Phổ tán xạ tia X – EDX) ....................... 50 3.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu với Diazinon .................................. 51 3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ................................... 51
6. 3.3.2. Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác của các vật liệu ...................................... 53 3.3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ SF và TiO2 tới hoạt tính xúc tác của vật liệu ................ 54 3.3.4. Ảnh hưởng hàm lượng của vật liệu .............................................................. 55 3.3.5. Ảnh hưởng của pH ....................................................................................... 57 3.3.6. Khảo sát của ảnh hưởng của nồng độ chất oxi hoá bổ trợ H2O2 tới hoạt tính xúc tác của vật liệu ................................................................................................ 58 3.3.7. Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu ....................................................... 60 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 63 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 68
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Tiêu thụ thuốc bảo vệ thực vật ở Việt Nam ............................................... 3 Hình 1.2. Con đường di chuyển của thuốc BVTV vào nước và đất ........................... 8 Hình 1.3. Tác động gây bệnh của thuốc BVTV trên người ....................................... 9 Hình 1.4. Công thức cấu tạo của Diazinon ............................................................ 10 Hình 1.5. Diazinon 95% ........................................................................................ 10 Hình 1.6. Cấu trúc của tinh thể TiO2 ..................................................................... 14 Hình 1.7. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile .............................................. 15 Hình 1.8. Hình ảnh minh họa cơ chế hoạt động của quang xúc tác TiO2 ............... 16 Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể của vật liệu TiO2 và vật liệu pha tạp ........................... 19 Hình 1.10. Hình ảnh vật liệu TiO2@SiO2@Fe3O4 [45] .......................................... 20 Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 ................................................................. 21 Hình 1.12. Đường cong từ trễ điển hình (mối liên hệ giữa từ hóa M với từ trường bên ngoài H).......................................................................................................... 21 Hình 1.13. Sơ đồ chuyển điện tích cảm ứng cho chất bán dẫn titan dioxide (a) không có lớp trung gian trơ (b) với lớp trung gian trơ. .......................................... 22 Hình 2.1. Quy trình tổng hợp Fe-TiO2 ................................................................... 30 Hình 2.3. Quy trình tổng hợp SF............................................................................ 32 Hình 2.4. Quy trình tổng hợp Fe-TiO2@Fe3O4 ..................................................... 33 Hình 2.6. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg ........................................................ 37 Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của SEM ............................................................... 39 Hình 2.8. Nguyên lý của phép phân tích EDX ........................................................ 40 Hình 2.9. Sơ đồ khối của thiết bị HPLC ................................................................. 41 Hình 2.10. Hệ thống HPLC của Shimadzu ............................................................. 42 Hình 2.11. Đường chuẩn Diazinon ........................................................................ 43 Hình 3.1. Giản đồ XRD của các vật liệu ................................................................ 44 Hình 3.2. Ảnh SEM của Fe3O4 ............................................................................... 46 Hình 3.3. Ảnh SEM của Fe-TiO2 ............................................................................ 46
8. Hình 3.4. Ảnh SEM của Fe-TiO2@Fe3O4 ............................................................... 46 Hình 3.5. Ảnh SEM của Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 (1:1) ............................................ 47 Hình 3.6. Đồ thị UV-Vis của vật liệu ..................................................................... 48 Hình 3.7. Hình ảnh vật liệu (a) TiO2; (b) Fe-TiO2; (c) Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 ...... 48 Hình 3.8. Đồ thị đường cong từ trễ của Fe- TiO2@Fe3O4 và Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 (1:1) ...................................................................................................................... 50 Hình 3.10. Hệ phản ứng quang xúc tác .................................................................. 35 Hình 3.11. Đồ thị thể hiện hoạt tính xúc tác quang của vật liệu ............................. 52 Hình 3.12. Đồ thị khảo sát sự ảnh hưởng của thành phần Fe3O4 và SiO2 trong vật liệu (1 g/L vật liệu) ................................................................................................ 53 Hình 3.13. Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ SF và TiO2.................................... 55 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu suất phân hủy Diazinon................................................................................................. 56 Hình 3.15. Đồ thị khảo sát của ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ............................... 59 Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý thuốc trừ sâu Diazinon ............. 57 Hình 3.17. Hiệu quả xử lý thuốc trừ sâu Diazinon trước và sau khi tái sinh của vật liệu Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 (1:1) ........................................................................... 61
9. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tình hình sử dụng thuốc BVTV ở Việt Nam và ước tính số lượng vỏ bao bì thải .............................................................................................................. 4 Bảng 1.2. Mức dư lượng HCH và DDT trong đất, nước và không khí ở các vùng lân cận các kho trừ sâu cũ tại vùng trồng rau ngoại thành Hà Nội. ............................... 6 Bảng 1.3. Một số tính chất vật lý, hóa học của Diazinon ....................................... 11 Bảng 1.4. Các thông số của TiO2 ........................................................................... 15 Bảng 1.5. Một số nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ tính trên cơ sở TiO2 .................. 26 Bảng 2.1. Danh mục hóa chất ................................................................................ 28 Bảng 2.2. Sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ của dung dịch Diazinon ..... 42 Bảng 3.1. Kích thước hạt của các vật liệu .............................................................. 45 Bảng 3.2. Năng lượng vùng cấm của các vật liệu .................................................. 48 Bảng 3.3. Thành phần các nguyên tố trong vật liệu Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 (1:1) ... 51 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát hoạt tính của Fe -TiO2@SiO2@Fe3O4 ........................ 52 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát hoạt tính của các vật liệu (1 g/Lvật liệu) ..................... 53 Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ SF và TiO2 ................................... 54 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu Fe -TiO2@SiO2@Fe3O4 đến hiệu suất xử lý Diazinon ....................................................................................................... 56 Bảng 3.8. Kết quả khảo sát của ảnh hưởng của nồng độ H2O2 .............................. 59 Bảng 3.9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý Diazinon của vật liệu Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 (1:1) ........................................................................... 57 Bảng 3.10. Hiệu quả xử lý Diazinon của vật liệu Fe-TiO2@SiO2@Fe3O4 (1:1) trước và sau tái sinh........................................................................................................ 61
10. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BVTV Bảo vệ thực vật CB Vùng dẫn (Conduction Band) DDT Dichloro-diphenyl-trichloroethane Ebg Năng lượng vùng cấm (Band gap Energy) HCH 1,2,3,4,5,6 – hexaclocyclohexan HPLC High Pressure Liquid Chromatography MB Methylene blue POP Persistant Organic Pollutants TIOT Tetra isopropyl ortho titanate VB Vùng hóa trị (Valence Band) SEM Scanning Electron Microscope Si(OC2H5)4 Tetraetyl orthosilicat XRD X-ray Diffraction