Cố định xúc tác ZnO lên đá trân châu nhằm xử lý Metylene xanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC
BỘ MÔN HÓA VÔ CƠ & ỨNG DỤNG


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỐ ĐỊNH CHẤT XÚC TÁC QUANG HÓA ZnO LÊN BỀ MẶT ĐÁ TRÂN CHÂU NHẰM
MỤC ĐÍCH XỬ LÝ PHẨM NHUỘM METHYLENE XANH

1


VẤN ĐỀ ĐẶT RA

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

••

Sử
Sử dụng
dụng axit
axit trung
trung hoà
hoà kiềm
kiềm và
và các
các chất
chất tạo
tạo phản
phản ứng

ứng oxy
oxy hoá
hoá
khử
khử




Hiệu
Hiệu quả
quả không
không cao
cao




Gây
Gây ôô nhiễm
nhiễm thứ
thứ cấp
cấp

••

Xử
Xử lý
lý bằng
bằng ozon,

ozon, ozon
ozon kết
kết hợp
hợp sinh
sinh học
học

••

Công
Công nghệ
nghệ màng
màng điện
điện hóa
hóa




Hiệu
Hiệu quả
quả cao
cao




Ứng
Ứng dụng
dụng khó

khó khăn
khăn




Giá
Giá thành
thành cao
cao

2


PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

Phương pháp oxy hóa
nâng cao

Xúc tác quang hóa

ƯU ĐIỂM

••
••
••
••

Hiệu
Hiệuquả

quảcao
cao

Giá
Giáthành
thànhrẻ
rẻ

ÍtÍtsử
sửdụng
dụnghóa
hóachất
chất

Thân
Thânthiện
thiệnvới
vớimôi
môitrường
trường

HẠN CHẾ

••





Kích

Kíchthước
thướcnano:
nano:

Trở
Trởngại
ngạiquá
quátrình
trìnhthu
thuhồi
hồi

Cố định xúc tác trên
vật liệu nền

Đòi
Đòihỏi
hỏicác
cácthiết
thiếtbịbịđắt
đắttiền
tiềnđể
đểloại
loạibỏ
bỏra
rakhỏi
khỏi
dung
dungdịch
dịch

3


MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Tổng hợp và cố định chất xúc tác quang hóa ZnO lên đá trân châu nhằm xử lý phẩm nhuộm Methylene Xanh (MB) trong nước

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

•

Tổng hợp và cố định ZnO lên bề mặt đá trân châu bằng phương pháp kết tủa kẽm oxalate.

•

Khảo sát các tính chất của vật liệu vừa tổng hợp: cấu trúc tinh thể, thành phần pha, hình thái và hàm lượng ZnO

•

Khảo sát khả năng hấp phụ MB và hoạt tính quang xúc tác xử lý MB

•

Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu có hoạt tính tốt nhất

4


CƠ CHẾ XÚC TÁC QUANG HÓA

Chất ô nhiễm hữu cơ

Các
Cácphản
phảnứng
ứnghóa
hóahọc:
học:

ZnO

Adsorption

••

++ -ZnO
ZnO++hν
hνhh ++ee

••

++
++ ••
hh ++HH22OOHH ++ OH
OH

••

-

ee ++OO22OO22

••


++ -OO22 ++2H
2H ++ee HH22OO22

••


HH22OO22++hν
hν2HO
2HO

••

••
Chất
Chấthữu
hữucơ
cơ++ OH
OH++OO22CO
CO22++HH22OO++sản
sảnphẩm
phẩmkhác.
khác.

Ánh sáng

5


ĐÁ TRÂN CHÂU

6


QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ MẪU

2CC2OO4 22 4

•

Thêm 200 mL nước vào
Zn(NO3)2.6H2O

•
55ggPerlite
Perlite

Zn(NO
Zn(NO33)2
)2.6H
.6H22OO

vào (NH4)2C2O4.H2O

•

(NH
(NH44)2
)2CC22OO44.H
.H22OO

Thêm 250 mL nước nóng

Đổ perlite vào dung dịch kẽm
2+
2+
Zn
Zn

Nung mẫu trong
2h

•
•

Lọc, rửa mẫu bằng nước cất
o
Sấy trong 30 – 60p ở 150 C

7


BẢNG KÝ HIỆU CÁC MẪU

Số mol ZnO trên 1 g đá trân châu

Nhiệt độ nung mẫu

(mol)

o
( C)

Ký hiệu mẫu

Các thông số nghiên cứu
1M450

0.01

450

3M450

0.03

450

4M450

0.04

450

5M450

0.05

450

3M550

0.03

550

Nồng độ kẽm tiền chất

1M

0.01 mol ZnO trên 1 g
3M650

0.03

650

mẫu

Nhiệt độ nung

450

Nhiệt độ nung
o
450 C

8


Biến thiên nhiệt độ nung

9


KẾT QUẢ KHẢO SÁT THÀNH PHẦN PHA

3M650

•

Đá trân châu = Lithosite + Microline

•

Có chuyển pha trong đá trân châu khi thay đổi nhiệt độ

•

o
o
o
Mũi đặc trưng ZnO: 31.78 , 34.42 , 36.26

Intensity (a.u.)

3M550
3M450
Perlite
Microline

 Có tồn tại pha ZnO trong các mẫu 3M450, 3M550, 3M650

Lithosite

ZnO

20

30

40

50

2theta

60

70

80

•

Cường độ các mũi ZnO của mẫu 3M650 thấp hơn

 Hàm lượng pha zincite trong mẫu 3M650 thấp

Giản đồ XRD của các mẫu đá trân châu, 3M450, 3M550, 3M650

10


HÌNH THÁI CỦA VẬT LIỆU

•

Đá trân châu bề mặt trơn, có lỗ xốp

•

Dạng hình cầu, các hạt đa phân tán

•

Kích thước: 3M450 < 3M550 < 3M650

•

Đá trân châu thuận lợi để phủ ZnO

•

Kích thước hạt càng lớn khi nhiệt độ nung càng tăng

Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của các mẫu đá trân châu (a), 3M450 (b), 3M550 (c),
3M650 (d)

Ký hiệu mẫu

Kích thước hạt ZnO (nm)

3M450

50-80

3M550

100-180

3M650

150-200

 Diện tích bề mặt giảm

11


HÀM LƯỢNG ZnO TRÊN ĐÁ TRÂN CHÂU

Kết quả phổ hấp thu nguyên tử AAS của các mẫu biến thiên theo
nhiệt độ nung

Ký hiệu mẫu

Phần trăm khối lượng ZnO (%)

3M450

3.5

3M550

3.7

3M650

2.5

Hàm lượng: 3M450 ≈ 3M550 > 3M650

•

Nhiệt độ tăng, kích thước hạt tăng. Cho đến mẫu 3M650 có kích thước quá lớn
dẫn đến mất khả năng bám dính bề mặt đá trân châu

 Bị rửa trôi khi rửa mẫu sau khi nung

12


KHẢO SÁT HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU

Khả năng hấp phụ của các mẫu biến thiên theo nhiệt độ nung

Ký hiệu mẫu

Phần trăm hấp phụ (%)

Perlite

17.83

3M450

0

3M550

0

3M650

3.84

•

•

Đá trân châu có khả năng hấp phụ

•

Mẫu 3M650 hấp phụ được một lượng nhỏ

•

Mẫu 3M450 và 3M550 không hấp phụ MB

Mẫu 3M650 hàm lượng ZnO ít nên còn nhiều chỗ trống trên bề mặt đá
trân châu

 MB hấp phụ lên bề mặt đá trân châu

13


KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU

Hằng số tốc độ phản ứng của các mẫu đá trân châu, 3M450, 3M550 và 3M650

Ký hiệu mẫu

-1
Hằng số tốc độ phản ứng (h )

Perlite

0.0351

3M450

0.569

3M550

0.569

3M650

0.480

Đồ thị biểu diễn ln (Co/C) theo thời gian của các mẫu đá trân châu, 3M450, 3M550 và
3M650

•

Đá trân châu không có hoạt tính xúc tác

•

Hoạt tính: 3M450 = 3M550 > 3M650
14


THẢO LUẬN

3M650

Intensity (a.u.)

3M550
3M450

•

Perlite

3M450 và 3M550: mũi đặc trưng ZnO tương đồng nhau

Microline

 Cấu trúc ZnO tương đồng nhau
Lithosite

ZnO

20

30

40

50

60

70

80

2theta
Giản đồ XRD của các mẫu đá trân châu, 3M450, 3M550,
3M650

Ký hiệu
mẫu

Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của các mẫu đá trân
châu (a), 3M450 (b), 3M550 (c), 3M650 (d)

Phần trăm khối lượng ZnO (%)

•

Kích thước hạt: 3M550 > 3M450

•

Hàm lượng ZnO: 3M550 > 3M450

 Hoạt tính: 3M450 = 3M550

3M450

3.5

•

Kích thước hạt: 3M650 lớn nhất

3M550

3.7

•

Hàm lượng ZnO: 3M650 thấp nhất

3M650

2.5

 ZnO mất khả năng bám dính

Kết quả phổ hấp thu nguyên tử AAS của các mẫu biến

 Hoạt tính giảm

thiên theo nhiệt độ nung
15


Biến thiên nồng độ kẽm tiền chất

16


KẾT QUẢ KHẢO SÁT THÀNH PHẦN PHA

5M450

Intensity (a.u.)

4M450
3M450

•

Đá trân châu = Lithosite + Microline

Perlite

•

o
o
o
Mũi đặc trưng ZnO: 31.78 , 34.42 , 36.26

•

Có tồn tại pha ZnO trong các mẫu 1M450, 3M450, 4M450, 5M450.

Microline

Lithosite
ZnO

20

30

40

50

60

70

2theta
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu: 3M450, 4M450 và 5M450

17


HÌNH THÁI CỦA VẬT LIỆU

•

Kích thước hạt: 1M450 ≈ 3M450 ≈ 4M450 ≈ 5M450

•

Dạng hình cầu, các hạt đa phân tán

Ký hiệu mẫu

Kích thước hạt ZnO (nm)

1M450

30-70

3M450

50-80

4M450

50-80

5M450

50-100

Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của các mẫu 1M450 (a), 3M450 (b), 3M550 (c), 3M650 (d)

18


HÀM LƯỢNG ZnO TRÊN ĐÁ TRÂN CHÂU

Kết quả phổ hấp thu nguyên tử AAS của các mẫu biến thiên theo nồng độ kẽm tiền chất

Ký hiệu mẫu

Phần trăm khối lượng ZnO (%)

1M450

1.1
Hàm lượng ZnO: 5M450 > 4M450 > 3M450 > 1M450

3M450

3.5

4M450

5.6

5M450

6.7

Hàm lượng ZnO trên đá trân châu tăng khi tăng nồng độ kẽm
tiền chất

19


KHẢO SÁT HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU

Khả năng hấp phụ của các mẫu biến thiên theo nồng độ kẽm tiền chất

Ký hiệu mẫu

Phần trăm hấp phụ (%)

1M450

12.78

3M450

0

4M450

0

5M450

8.15

•

•

Mẫu 1M450 hấp phụ cao nhất

•

Khi tăng nồng độ kẽm tiền chất thì khả năng hấp phụ giảm xuống

•

Mẫu 5M450 hấp phụ lượng nhỏ

Mẫu 1M450: hàm lượng ZnO ít nên còn nhiều chỗ trống trên bề mặt
đá trân châu

 MB hấp phụ lên bề mặt đá trân châu

•

Mẫu 5M450: có thể MB hấp phụ lên ZnO

20


KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU

Hằng số tốc độ phản ứng của các mẫu 1M450, 3M450, 4M450 và 5M450

Ký hiệu mẫu

-1
Hằng số tốc độ phản ứng (h )

1M450

0.295

3M450

0.569

4M450

0.594

5M450

0.593

Đồ thị biểu diễn ln (Co/C) theo thời gian của các mẫu 1M450, 3M450, 4M450 và 5M450

Mẫu 4M450: ZnO đã phủ bão hòa lên bề mặt đá
Hoạt tính: 1M450 < 3M450 < 4M450 ≈ 5M450
trân châu
21


THẢO LUẬN

Hằng số tốc độ phản ứng của các mẫu 1M450, 3M450,
Kết quả phổ hấp thu nguyên tử AAS của các mẫu biến thiên theo nồng độ

4M450 và 5M450

kẽm tiền chất

Ký hiệu mẫu

Phần trăm khối lượng ZnO (%)

1M450

1.1

3M450

3.5

4M450

5.6

5M450

6.7

Ký hiệu
mẫu

Hằng số tốc độ phản ứng
-1
(h )

1M450

0.295

3M450

0.569

4M450

0.594

5M450

0.593
Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của các mẫu 1M450 (a), 3M450 (b), 3M550 (c),
3M650 (d)

•

Kích thước hạt không thay đổi

•

Hàm lượng ZnO tăng lên

•

Hoạt tính bão hòa: 4M450

hàm lượng ZnO của mẫu 4M450 đã phủ lên toàn bộ bề mặt đá trân
châu nên diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các hạt ZnO với môi trường
ngoài là tối đa
22


KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TÁI SỬ DỤNG CỦA MẪU 4M450

Hằng số tốc độ phản ứng của mẫu 4M450

Số lần sử dụng 4M450

-1
Hằng số tốc độ phản ứng (h )

Lần 1

0.5945

Lần 2

0.5732

Lần 3

0.5546

Đồ thị biểu diễn ln (Co/C) theo thời gian của mẫu 4M450

hoạt tính của mẫu có giảm sau mỗi lần tái sử dụng nhưng không đáng kể, mẫu vẫn có
hoạt tính cao.
23


KẾT LUẬN

Đã phủ thành công ZnO lên bề mặt đá trân châu bằng
phương pháp kết tủa tiền chất kẽm oxalate

24

XIN CÁM ƠN QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC
BẠN ĐÃ LẮNG NGHE

25