Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (mg, al, fe) làm xúc tác xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy

Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (Mg, Al, Fe)
làm xúc tác xử lý nước thải chứa các hợp chất
hữu cơ khó phân hủy

Nguyễn Thị Tươi

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hóa môi trường; Mã số: 60 44 41
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Thảo
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Giới thiệu chung về đặc điểm, tính chất, phương pháp tổng hợp và ứng
dụng của hidrotalxit. Khái quát về ô nhiễm nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó
phân hủy và ảnh hưởng của các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy đối với con
người và môi trường. Nghiên cứu các phương pháp xử lý nước thải chứa hợp chất hữu
cơ khó phân hủy như: Phương pháp keo tụ; Phương pháp hấp phụ; Phương pháp
Fenton; Phương pháp oxi hóa – khử Trình bày các kết quả đạt được: Đã tổng hợp
được xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe theo các tỉ lệ khác nhau và nghiên cứu đặc trưng
cấu trúc xúc tác bằng các phương pháp vật lý: nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng
ngoại IR, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và
phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- giải hấp phụ (BET). Kết quả cho thấy phần lớn
Fe2+ đã thay thế Mg2+ trong cấu trúc hidrotalxit; Đã tiến hành nghiên cứu quá trình
xử lý các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy trên 2 mẫu xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe
tổng hợp có tỷ lệ thành phần tương ứng Mg:Al: Fe là 5: 3: 2; 6: 3: 1 trong điều kiện
phản ứng khác nhau; Đã khảo sát quá trình oxi hóa xanh metylen với sự có mặt của
xúc tác hidrotalxit nhận thấy các mẫu xúc tác đóng vai trò hấp phụ, xúc tác chuyển
hóa xanh metylen với hiệu suất xử lý khá cao.

Keywords: Hóa môi trường; Chất hữu cơ; Xử lý nước thải; Vật liệu hidrotalxit; Ô
nhiễm nước

Content
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại, môi trường sống ngày càng ô
nhiễm nặng nề. Ngành công nghiệp sản xuất đã thải ra môi trường một lượng lớn các chất hữu
cơ và vô cơ hại rất bền và khó phân huỷ (Persistant Organic Pollutants – POPs). Chất thải hữu
cơ công nghiệp đi vào không khí, nước sinh hoạt, đất và thực phẩm rồi xâm nhập vào cơ thể
sống qua đường ăn uống, hô hấp dẫn đến sự nhiễm độc ngày càng nhiều và có thể gây bệnh
nguy hiểm đối với con người (đặc biệt là bệnh ung thư).

2
Bên cạnh đó, cùng với việc sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hoá
học trong nông nghiệp ngày càng tăng, thậm chí còn lạm dụng gây mất cân bằng sinh thái.
Trong quá trình sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hoá học, một lượng đáng kể thuốc
và phân không được cây trồng tiếp nhận đã lan truyền và tích lũy trong đất, nước. Ngoài ra,
tác động tiêu cực khác của dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón là làm suy thoái chất
lượng môi trường canh tác nông nghiệp như hiện tượng phú dưỡng đất, nước, ô nhiễm đất,
nước, giảm tính đa dạng sinh học của các vùng nông thôn, giảm khả năng chống chịu sâu
bệnh đối với thuốc bảo vệ thực vật.
Bảo vệ môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững ngày nay đã trở thành chiến lược
mang tính toàn cầu, không còn là vấn đề riêng cho từng quốc gia và từng khu vực, thành phố.
Bảo vệ môi trường tự nhiên (nguồn nước, không khí, đất đai, sự đa dạng sinh học …) là
những vấn đề không những chỉ liên quan tới chất lượng môi trường hiện tại mà còn là việc
bảo vệ môi trường cho các thế hệ tương lai.
Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo ra loại vật liệu mới có tính ưu việt để xử lí các hợp chất
hữu cơ độc hại trong nước là hết sức cần thiết. Trong những năm gần đây, vật liệu hidrotalxit
hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Phương pháp điều chế đơn giản và
nguyên liệu sẵn có, phổ biến nên có thể ứng dụng trong thực tế. Do vậy, chúng tôi lựa chọn đề
tài “Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (Mg, Al, Fe) làm xúc tác xử lý nước thải chứa các hợp
chất hữu cơ khó phân hủy”.
1. Giới thiệu chung về hiđrotalxit

Hiđrotalxit là khoáng vật có trong tự nhiên màu trắng và màu hạt trai, được xác định
cùng họ với khoáng sét anion, có kích thước rất nhỏ trộn lẫn với các khoáng khác gắn trên
những phiến đá trên vùng đồi núi.

3

Hình 1.1: Khoáng sét hiđrotalxit
Hiđrotalxit có khả năng trao đổi ion và hấp phụ các chất hữu cơ, vô cơ nên được ứng
dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Hiện nay, hiđrotalxit có thể điều chế bằng nhiều
phương pháp khác nhau nhằm tiếp tục phát triển phương pháp tổng hợp hiđrotalxit khác nhau
nhằm mục đích sử dụng rộng rãi họ vật liệu này trong lĩnh vực xử lý môi trường [8].
Ngay từ cuối những năm 30 của thế kỉ trước, các nhà khoáng học đã công bố các sét
dạng anion. Hiđrotalxit (HT) là loại liệu khoáng liệu ionic bazơ được biết đến như là hợp chất
song lớp hidroxit (LDH) với công thức chung Mg
6
Al
2
(OH)
16
CO
3
.xH
2
O. Đối với hiđrotalxit
tổng hợp, công thức tổng quát là
[M
2+
1-x
M
3+

x
(OH)
2
]
x+
[A
n-
x/n
].mH
2
O. Trong đó:
- M
2+
là kim loại hóa trị (II) như Mg, Zn, Ca, Fe, Ni
- M
3+
là kim loại hóa trị (III) như Al, Fe, Cr
- A
n-
là các anion rất đa dạng có thể là phức anion, anion hữu cơ (benzoic, axit oxalic ), các
polyme có phân tử lượng lớn, hay các halogen (Cl
-
, Br
-
).
- x là tỉ số nguyên tử M
3+
/(M
2+
+ M

3+
), trong đó tỉ số x nằm trong khoảng 0,2

x


0,33[9,23].
Hiđrotalxit được cấu tạo dạng lớp. Bao gồm:
Lớp hydroxit
Lớp hydroxit là hỗn hợp của các hydroxit của kim loại hóa trị (II) và hóa trị (III), tại
đỉnh là các nhóm - OH, tâm là các kim loại hóa trị (II) và (III), có cấu trúc tương tự như cấu
trúc brucite trong tự nhiên. Cấu trúc này được sắp đặt theo dạng M(OH)
6
dạng bát diện (hình
1.2).

4
Lớp hydroxit có dạng [M
2+
1-x
M
3+
x
(OH)
2
]
x+
trong đó một phần kim loại hóa trị (II)
được thay thế bằng kim loại hóa trị (III) nên mang điện tích dương. Điện tích dương trong lớp
brucite (Mg(OH)

2
) được bù bởi ion CO
3
2-
chèn giữa hai lớp (hình 1.2). Một lượng lớn các ion
hóa trị II, III với tỷ lệ khác nhau được thay thế trong cấu trúc hiđrotalxit nên người ta có thể
tổng hợp các dẫn xuất hiđrotalxit khác nhau [8,12].

Hình 1.2: Cấu tạo lớp hydroxit
Lớp xen giữa
[A
n-
x/n
].mH
2
O là các anion mang điện tích âm và các phân tử nước nằm xen giữa lớp
hydroxit trung hòa lớp điện tích dương như được chỉ ra ở hình 1.3.


Hình 1.3: Cấu tạo lớp xen giữa

Lớp xen giữa nằm giữa hai lớp hidroxit xếp luân phiên chồng lên nhau, làm cho
hiđrotalxit có cấu trúc lớp (hình 1.4). Lớp hidroxit liên kết với lớp xen giữa bằng lực hút tĩnh
điện. Liên kết giữa các phân tử nước và các anion trong lớp xen giữa là liên kết hidro. Các
anion và các phân tử nước trong lớp xen giữa được phân bố một cách ngẫu nhiên và có thể di

5
chuyển tự do không định hướng. Ngoài ra, các anion lạ còn có thể xâm nhập vào hoặc loại các
anion trong lớp xen giữa mà không làm thay đổi tính chất của hiđrotalxit [3].

Hình 1.4: Hình dạng cấu trúc lớp của hiđrotalxit


2. Thực nghiệm
Quy trình tổng hợp hiđrotalxit ( Mg: Al: Fe = 5: 3 :2 )
Hoà tan 9,498 (g) Mg(NO
3
)
2
.6H
2
O + 8,348(g) Al(NO
3
)
3
.9H
2
O + 5,995 (g)
Fe(NO
3
)
2
.9H
2
O vào 150 (ml) nước cất được dung dịch A. Cho 8,0 (g) NaOH vào 150 (ml)
nước cất được dung dịch B. Dung dịch C thu được bằng cách hòa tan 1,2641 (g) Na
2
CO
3

trong 25 (ml) nước cất.
Nhỏ từ từ 150 (ml) dung dịch A từ buret thứ nhất và 150 (ml) dung dịch B từ buret thứ
hai vào cốc thuỷ tinh chứa 25 (ml) dung dịch C. Điều chỉnh pH của hỗn hợp trong cốc thuỷ
tinh trong khoảng 9,5 ± 0,5 bằng dung dịch NaOH. Hỗn hợp được khuấy liên tục ở 65
o
C trong
24 giờ. Lọc và rửa chất rắn bằng nước lọc nóng. Chất rắn thu được được sấy khô ở 80
o
C,
nghiền mịn thu được xúc tác hiđrotalxit Mg-Al-Fe-O với tỉ lệ tương ứng là 5: 3: 2 ký hiệu
TT03.
3. Kết quả và thảo luận
Bằng phương pháp đồng kết tủa, chúng tôi đã điều chế được các mẫu xúc tác hiđrotalxit
TT
Ký hiệu
Công thức tổng hợp theo lý thuyết
1
TT04
Mg
0,7
Al
0,3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2

O
2
TT05
Mg
0,6
Al
0,3
Fe
0,1
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O

6
3
TT03
Mg
0,5
Al
0,3
Fe
0,2
(OH)
2

(CO
3
)
0.15
.xH
2
O

Các mẫu vật liệu điều chế được nghiên cứu đặc trưng pha, hình dạng cấu trúc trước
khi thực hiện phản ứng oxi hóa xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước.
3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Các mẫu xúc tác rắn đều cho tín hiệu nhiễu xạ có cường độ mạnh, chân píc rộng ở
góc 2-theta tương ứng với Mg-Al hidrotalxit. Khi thay thế một phần Mg bằng Fe (mẫu TTr05:
Mg
0,5
Al
0,3
Fe
0,2
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O và TT 03: Mg
0,6
Al

0,3
Fe
0,1
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O), kết quả
nhiễu xạ tia X về cơ bản không thay đổi so với mẫu Mg
0,7
Al
0,3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O. Tuy
nhiên hai mẫu này có tín hiệu đường nền lớn hơn, đậm nét hơn so với mẫu
Mg
0,7
Al
0,3

(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O (hình 3.1). Trong trường hợp này, các peak phản xạ vẫn tương
ứng với góc 2-theta đặc trưng cho sự hình thành pha hiđrotalxit , chứng tỏ Fe đã thay thế Mg
trong lớp brucite của hiđrotalxit. Trong cả ba trường hợp, không thấy xuất hiện các pha lạ nên
có thê
̉
nhận định xu
́
c ta
́
c thu đươ
̣
c chủ yếu la
̀
pha hiđrotalxit [29].

Hình 1.5. Giản đồ nhiễu xạ của mẫu TT04: Mg
0,7
Al
0,3
(OH)
2
(CO

3
)
0.15
.xH
2
O

7

Hình 1.6. Giản đồ nhiễu xạ của mẫu TT05: Mg
0,6
Al
0,3
Fe
0,1
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O

Hình 1.7. Giản đồ nhiễu xạ của mẫu TT03: Mg
0,5
Al
0,3
Fe

0,2
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O

3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Quan sát hình 3.4 ta nhận thấy phổ hồng ngoại mẫu xúc tác TT04 xuất hiện đỉnh phổ
3448 cm
-1
chân rộng đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH trong phân tử nước hấp

8
phụ trên hidrotalxit [9]. Do vậy, nhóm OH bề mặt của lớp hidrotanxit bị chồng lấp bởi tín
hiệu của nước nên không thể nhận được khi ghi phổ ở điều kiện thường. Tuy nhiên, phổ hồng
ngoại xuất hiện bờ vai ở 3076 cm
-1
được gán cho dao động của liên kết hidro giữa phân tử
H
2
O và các anion chèn giữa các lớp brucite [17]. Ion cacbonat chèn giữa các lớp hidroxit
được đặc trưng bởi dao động hóa trị ở vị trí 1369 cm
-1
trong khi đỉnh hấp thụ ở 1634 cm
-1

đặc
trưng cho dao động C=O trong ion cacbonat. Điều này khẳng định sự tồn tại của anion
cacbonat trong lớp hydroxit của vật liệu hydrotalxit [29].
Ten may: GX-PerkinElmer-USA Resolution: 4cm-1
BO MON HOA VAT LIEU-KHOA HOA-TRUONG DHKHTN
Nguoi do: Phan Thi Tuyet M ai
Ten mau: TT04
Date: 8/28/2012
4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0
0.0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
102.0

cm-1
%T
3468
3076
1634
1369
775
678
556
450

Hình 1.8. Kết quả ghi phổ IR của mẫu TT04: Mg
0,7
Al
0,3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O
3.3. Đặc trưng hình thể hidrotalxit Mg-Fe-Al-O
Để xem xét hình thể học hạt xúc tác và cấu trúc lớp của hidrotalxit, chúng tôi xem xét
bề mặt xúc tác bằng kỹ thuật SEM và TEM. Kết quả quan sát SEM của các mẫu xúc tác đại
diện được đưa ra ở hình 3.5.

A
B

C

Hình 1.9: Ảnh SEM củ a
Mg
0.6
Fe
0.1
Al
0.3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O
(A) và

Mg
0.5
Fe
0.2
Al
0.3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O
(B) và hình ả nh TEM củ a mẫ u
Mg
0.5
Fe
0.2
Al
0.3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2

O

9




Quan sát hình ảnh hạt xúc tác của các vật liệu hidrotalxit cho thấy các hạt hidrotalxit
Mg
0.6
Al
0.3
Fe
0.1
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O (hình 3.5 A, B) có kích thước khá đồng đều, hình thoi
hoặc elip. Khi tăng lượng Fe thay thế (mẫu Mg
0,5
Al
0,3
Fe
0,2
(OH)

2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O), kích thước
hạt dường như có xu hướng tăng lên do sự vón kết của các hạt sơ cấp tạo thành. Ảnh TEM
của mẫu Mg
0.5
Fe
0.2
Al
0.3
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O trình bày ở hình 3.5C khẳng định hình dạng elip
của hạt xúc tác, kích thước hạt nằm trong khoảng từ 30-60 nm. Chúng ta dễ dành nhận thấy
phần thể tích rỗng giữa các hạt là khá lớn. Sự phong phú về hình dạng hạt và sự xuất hiện các
khoảng không gian rỗng giữa các hạt làm tăng diện tích bề mặt riêng ngoài.
3.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ ( BET )

0

50
100
150
200
250
300
350
400
0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95
Áp suất tương đối (P/P
o
)
Thể tích hấp phụ (cc/g)
Mg0.5Fe0.2Al0.3(OH)2(CO3)0.15.xH2O
Mg0.6Fe0.1Al0.3(OH)2(CO3)0.15.xH2O

Hình 1.10: Đường hấp phụ giải nitơ của các mẫu hidrotalxit
3.5. Đánh giá khả năng oxi hóa xanh metylen của xúc tác hidrotalxit


10
200 mg xúc tác TT05 + 20 mL dung dịch xanh metylen 3000 ppm
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400

2600
2800
3000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Thời gian (phút)
Nồng độ xanh metylen (ppm)
Xanh metyl + H2O2
Xanh metyl + TT05
Xanh metyl + TT05+ H2O2

Hình 1.11. Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian (TT05)
Mg
0,6
Al
0,3
Fe
0,1
(OH)
2
(CO
3
)
0.15
.xH
2
O,
[xanh metylen] = 3000 ppm, nhiệt độ phòng, ánh sáng thường
Kết quả khảo sát 3000 ppm xanh metylen cho thấy khi hỗn hợp phản ứng chỉ có xanh
metylen và H
2

O
2
thì phản ứng oxi hóa xanh metylen xảy ra chậm, nồng độ xanh metylen giảm
không nhiều (tương ứng với phần trăm chuyển hóa của xanh metylen ở nồng độ thấp). Khi
hỗn hợp phản ứng chỉ có xanh metylen và vật liệu TT05 thì nồng độ xanh metylen cũng giảm
theo thời gian khảo sát, chứng tỏ vật liệu TT05 có hấp phụ một phần xanh metylen như quan
sát thấy ở hình 3.8. Khi hỗn hợp phản ứng gồm cả xanh metylen, H
2
O
2
và vật liệu TT05 thì
nồng độ xanh metylen giảm mạnh. Điều này được giải thích là do vật liệu TT05 không chỉ
đóng vai trò là chất hấp phụ mà còn là chất xúc tác thúc đẩy quá trình oxi hóa xanh metylen
trên bề mặt chất rắn. Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metylen và H
2
O
2
(màu
trắng) là:
H% = . 100% = 15,58 %
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen và TT05 là:
H% = .100% = 20,44 %
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT05 là:
H% = .100% = 52,78 %

11

1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Thời gian (phút)
Nồng độ xanh metylen (ppm)
Xanh metyl + H2O2
Xanh metyl + TT03
Xanh metyl + TT03+ H2O2
200 mg xúc tác TT03 + 200 mL dung dịch xanh metylen 300 ppm

Hình 1.12: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian trên xúc tác TT03
(Mg
0,5
Al
0,3
Fe
0,2
(OH)
2
(CO

3
)
0.15
.xH
2
O) ở 3000 ppm xanh metylen, nhiệt độ phòng, ánh sáng
trắng
Khi hỗn hợp phản ứng chỉ có hợp chất xanh metylen và H
2
O
2
thì phản ứng oxi hóa
xảy ra chậm nên nồng độ xanh metylen trong quá trình khảo sát giảm không nhiều. Phản ứng
đồng thể giữa xanh metylen và H
2
O
2
giảm một cách tuyến tính với hệ số góc nhỏ sau 150
phút. Khi thêm xúc tác TT03 vào hỗn hợp phản ứng trong điều kiện vắng mặt tác nhân phản
ứng thì nồng độ xanh metylen giảm tương tự như trong trường hợp có mặt H
2
O
2
. Trong
trường hợp này, cac phân tử xanh metylen có thể bị hấp phụ và oxi hóa đồng thời bị oxi hóa
một phần. Trong cả hai trường hợp này, hiệu suất chuyển hóa xanh metylen đạt khoảng 15-
20% sau 150 phút và có xu hướng tiếp tục tăng theo thời gian phản ứng. Khi hỗn hợp có đồng
thời cả tác nhân oxi hóa và xúc tác TT03, nồng độ xanh metylen giảm mạnh sau 60 phút và
gần như không đổi sau 150 phút khảo sát, chứng tỏ vật liệu TT03 đóng vai trò xúc tác oxi hóa
xanh metylen. Thực vậy, bề mặt xúc tác hấp phụ đồng thời xanh metylen và H

2
O
2
đã thúc đẩy
quá trình oxi hóa xanh metylen. Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metylen và
H
2
O
2
sau 150 phút phản ứng là:
H% = . 100% = 15,58%
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen và TT03 là:
H% = .100% = 19,47%
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT03 là:

12
H% = .100% = 42,63%
Theo tính toán trên dễ dàng nhận thấy hiệu suất xử lý xanh metylen trong dung dịch tăng
mạnh khi có mặt chất xúc tác hidrotalxit Mg-Fe-Al. So với mẫu trắng (15,5%), và mẫu trắng
có mặt H
2
O
2
(19,5%) thì hiệu suất xử lý xanh metylen khi có mặt t xúc tác hidrotalxit đã tăng
lân gần gấp 2-3 lần (42,6%). Điều này được giải thích là các ion sắt trong hidrotalxit có thể
đóng vai trò là các tâm hoạt động oxi hóa mất mầu xanh metylen, tương tự như xúc tác

Fenton đồng thể.
Hình 1.13: So sánh sự biến đổi xanh metylen của các vật liệu
Ở cùng điều kiện phản ứng, sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian trên cả
hai mẫu xúc tác có thành phần tỉ lệ Mg/Fe khác nhau biến đổi tương tự nhau. Mặc dù mẫu
TT03 giầu Fe hơn mẫu TT05 nhưng độ hiệu suất xử lý xanh metylen của mẫu TT03 hơi thấp
hơn so với mẫu TT05 sau 150 phút khảo sát ở cùng điều kiện phản ứng. Sự khác biệt này lý
giải thành phần Fe thực trong cấu trúc hidrotalxit. Như đã chỉ ra ở hình 3.2 và 3.3B, mẫu
TT03 có cường độ tín hiệu nhiễu xạ thấp, kích thước hạt lớn hơn mẫu TT05. Đây có thể là
nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất xử lý xanh metylen trong nước.


13
Hình 1.14. Chuyển hóa xanh metylen ở nhiệt độ phòng 45
o
C
Nhận xét:
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT03 ở 45
0
C là:
H% = .100% = 67,7 %
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT05 ở 45
0

C là:
H% = .100% = 72,5 %
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT04 ở 45
0
C là:
H% = .100% = 78,1 %
So sánh với bảng 3.3, chúng ta dễ dàng nhận thấy do hiệu suất xử lý xanh metylen tăng khi
nhiệt độ xử lý tăng. Điều này dễ hiểu vì quá trình chuyển hóa xanh metylen là quá trình thu
nhiệt.
3.6. Oxi hóa xanh metylen của xúc tác hidrotalxit dưới ánh sáng tử ngoại


14

Hình 1.15: So sánh sự biến đổi xanh metylen của các vật liệu theo ánh sáng UV
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT03 theo ánh sáng UV là:
H% = .100% = 82,0 %
Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H
2
O
2
và TT05 theo ánh sáng UV là:

H% = .100% = 84,0 %

Theo hiệu suất tính toán được, xanh metylen bị oxi hóa dễ dàng hơn dưới ánh sáng tử
ngoại. Hiệu suất xử lý đạt trên 80% sau 120 phút xử lý. Điều này được giải thích do sự tạo
thành gốc hydroxyl (OH) dưới ánh sáng tử ngoại, đặc biệt là trong dung dịch có mặt ion
Fe
2+
.
Từ kết quả khảo sát trên cho thấy các mẫu xúc tác hidrotalxit Mg-Al-Fe-O thể hiện
hoạt tính oxi hóa xanh metylen rất tốt trong điều kiện thường (nhiệt độ phòng, ánh sáng
thường hoặc UV). Kết quả nghiên cứu ban đầu hứa hẹn nhiều ứng dụng hidrotalxit chứa Fe
cho quá trình xử lý chất thải chứa phẩm màu hữu cơ.
KẾT LUẬN

Qua thời gian tiến hành thực nghiệm tổng hợp xúc tác Mg-Fe-Al hidrotalxit và nghiên
cứu ứng dụng vật liệu này làm xúc tác oxi hóa dung dịch xanh metylen, chúng tôi đã nhận
được các kết quả đáng chú ý như sau:
1. Đã tổng hợp được xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe theo các tỉ lệ khác nhau và nghiên cứu đặc
trưng cấu trúc xúc tác bằng các phương pháp vật lý: nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng

15
ngoại IR, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phương
pháp đẳng nhiệt hấp phụ- giải hấp phụ (BET). Kết quả cho thấy phần lớn Fe
2+
đã thay thế
Mg
2+
trong cấu trúc hidrotalxit. Các mẫu xúc tác điều chế có độ tinh thể tương đối cao, kích
thước hạt xúc tác đồng đều, diện tích bề mặt từ 70-90 m
2

/g.
2. Đã tiến hành nghiên cứu quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy trên 2 mẫu
xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe tổng hợp có tỷ lệ thành phần tương ứng Mg:Al: Fe là 5: 3: 2; 6:
3: 1 trong điều kiện phản ứng khác nhau. Kết quả cho thấy quá trình oxi hóa xanh metylen
phụ thuộc vào bản chất tác nhân oxi hóa, nhiệt độ, nồng độ xanh metylen, ánh sáng ngoài
3. Đã khảo sát quá trình oxi hóa xanh metylen với sự có mặt của xúc tác hidrotalxit nhận thấy
các mẫu xúc tác đóng vai trò hấp phụ, xúc tác chuyển hóa xanh metylen với hiệu suất xử lý
khá cao. Sự có mặt của Fe trong Mg-Al hidrotalxit đã cải thiện đáng kể khả năng oxi hóa
xanh metylen. Hiệu suất xử lý xanh metylen đạt 40-50% sau 160 phút phản ứng và 70-80% ở
45
0
C hoặc có ánh sáng UV. Hiệu suất chuyển hóa xanh metylen phụ thuộc vào lượng Fe tồn
tại trong mạng hidrotalxit. Hiệu suất xử lý xanh metylen được cải thiện đáng kể khi xử lý
dưới ánh sáng tử ngoại. Các kết quả nghiên cứu bước đầu mở ra con đường ứng dụng xúc tác
hidrotalxit có thành phần khác nhau cho quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước.

References
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Đình Bảng (2004), “Giáo trình các phương pháp xử lý nước, nước thải”, Trường
ĐHKHTN, ĐHQG HN.
[2] Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Văn Ri (2006), “Thực tập phân tích hóa học”, Đại học
Khoa học Tự nhiên.
[3] Nguyễn Thị Dung, Lưu Thanh Tòng (2004), “ Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu
khoáng sét anion ZnAlO và MgAlO”, Số 2, Tạp chí Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ
Việt Nam, tr. 42.
[4] Ngô Thị Thuận, Phạm Thị Thắm (2008), “Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc
tác của perovskit (La,Ca)Fe
1-x
Cu
x

O
3
trong phản ứng oxi hóa ancol benzylic”, Tạp chí Hóa
học, 46 (5), tr. 619-624.
[5] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Tăng Sơn (2006), “Xúc tác oxi kim loại chuyển tiếp/MCM-41
trong phản ứn oxi hóa ancol benzylic”, Tạp chí Hóa học, 44 (4), tr. 423-427.
[6] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Tiến Thảo, Phạm Thị Thắm (2009), “Oxi hóa chọn lọc ancol
benzylic trên xúc tác perovskit chứa crom manh trên oxi mao quản trung bình”, Tạp chí Hóa
học, 47 (2), tr. 180-198.

16
[7] Nguyễn Đình Triệu (2001), “Các phương pháp phân tích vật lý và hoá lý”, T.1, NXB
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[8] Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội (1999), “Hóa học môi trường cơ sở”,
Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN.
Tiếng Anh
[9] F. Cavani, F. Trifirb, A.Vaccari (1991): “Hydrotanxit-type anionic clays: preparation,
properties and applications”, Dipartimento di Chimica Industriale e dei Materiali, pp. 173-
301.
[10] Dasari Kishore, Alirio E. Rodrigues (2008), “Liquid phase catalytic oxidation of
isophorone with tert-butylhydroperoxide over Cu/Co/Fe–MgAl ternary hydrotalcites”,
Applied Catalysis A: General 345, pp. 104–111.
[11] K. Dutta, S. Mukhopadhyay, S. Bhattacharjee, B. Chaudhuri (2001), “Chemical
oxidation of methylene blue using a Fenton-like reaction”, J. Hazard Mater, 84(1), pp. 57-81.
[12] G.R. Williams and D. O’Hare (2006), “Towards understanding, control and application
of layered double hydroxide chemistry”, J. Mater Chem. 16, pp. 3065–3074.
[13] M. Hajjaji, A. Alami, A. El Bouadili (2006), “Removal of methylene blue from aqueous
solution by fibrous clay minerals”, Journal of Hazardous Materials B135, pp.188–192.
[14] James B. Condon (2006), “Surface Area and Porosity Determinations by Physisorption
Measurements and Theory”, The Netherlands, Elsevier B.V. pp. 12.

[15] Ibrahim A. Salem, Mohamed S. El-Maazawi (2000), “Kinetics and mechanism of color
removal of methylene blue with hydrogen peroxide catalyzed by some supported alumina
surfaces”, Chemosphere 41, pp.1173-1180.
[16] N H M Kamel et al (2011), Report “Removal of Lead, Cobalt and Manganese from
Aqueous Solutions using a new Modified Synthetic Ion Exchanger”, Archives of Applied
Science Research, 3 (2), pp. 448-464.
[17] D. Meloni, R. Monaci, V. Solinas, A. Auroux, E. Dumitriu (2008), Characterization of
the active sites in mixed oxides derived from LDH precursors by physicochemical and
catalytic techniques, Appl. Catal. A 350, pp. 86-95.
[18] Lili Zhang, Yulun Nie, Chun Hu, Xuexiang Hu (2011), Decolorization of methylene blue
in layered manganese oxide suspension with H
2
O
2
, Journal of Hazardous Materials 190, pp.
780–785.
[19] Mohamed Bouraada, Mama Lafjah, Mohand Said Ouali, Louis Charles de Menorval
(2008), Basic dye removal from aqueous solutions by dodecylsulfate- and dodecyl benzene
sulfonate-intercalated hydrotalcite, Journal of Hazardous Materials, 153 (3), pp. 911-918.
[20] Michael R. Morrill, Nguyen Tien Thao, Heng Shou, David J. Barton, Daniela Ferrari,
Robert J. Davis, Pradeep K. Agrawal, and Christopher W. Jones (2012), “Mixed MgAl oxide

17
supported potassium promoted molybdenum sulfide as a selective catalyst for higher alcohol
synthesis from syngas”, Catalysis Letters 142 (7), pp. 875-881.
[21] C. Noubactep (2009), Characterizing the discoloration of methylene blue in Fe
0
/H
2
O

systems, Journal of Hazardous Materials 166, pp. 79–87.
[22] J Orthman, H.Y Zhu, G.Q Lu (2003), Use of anion clay hydrotalcite to remove colored
organics from aqueous solutions, Separation and Purification Technology, 31(1), pp. 53-59.
[23] Rafael Saloma et al (2011), “Hiđrotalxit synthesis via co-precipitation reactions using
MgO and Al(OH)3 precursors”, Ceramics 37, pp. 3063 – 3070.
[24] R.L. Sawhney (2008), Report: “Solar photocatalytic removal of Cu(II), Ni(II), Zn(II) anh
Pb(II): speciation modeling of metal – citric acid complexes “, Journal of hazardous materials
115, pp. 424-432.
[25] Nguyen Tien Thao, Ho Huu Trung, Vu Nhu Nang, (2012), The selective oxidation of
styrene over Mg-Co-Al hydrotalcite catalysts, VN Journal of Chemistry, 50(4A), pp. 363-366.
[26] Nguyen Tien Thao, Preparation of MoO
3
/Mg(Al)O
x
catalysts for the oxidation of organic
compounds in the water, Jounral of Analytical Sciences, Vol.17 (2012) 77-82
[27] Nguyen Tien Thao, Nguyen Thi Tuoi, Do Thi Trang (2012), “Characterization and
reactivity of Mg-Fe-Al hydrotalcite catalysts for the treatment of methylene blue in water”,
VN Journal of Chemistry (2012), in Press.
[28] J.S. Valente, F. Figueras, M. Gravelle, P. Kumbhar, J. Lopez and J P. Besse (2000),
Basic properties of the mixed oxides obtained by thermal decomposition of hydrotalcites
containing different metallic compositions, J. Catal. 189, pp. 370-381.
[29] Vasilios A. Sakkas, Md. Azharul Islam, Constantine Stalikas, Triantafyllos A. Albanis
(2010), “Photocatalytic degradation using design of experiments: A review and example of
the Congo red degradation, Journal of Hazardous Materials 175, pp. 33–44.
[30] Yujiang Li, Baoyu Gao, Tao Wu, Weisuo Chen, Xia Li, Biao Wang (2008), Adsorption
kinetics for removal of thiocyanate from aqueous solution by calcined hydrotalcite, Colloids
and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 325(1–2), pp. 38-43 .