Tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng tính chất quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 để phân hủy phenol trong nước (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG TÍNH CHẤT
QUANG XÚC TÁC VẬT LIỆU NANO BiTaO4 ĐỂ PHÂN HỦY
PHENOL TRONG NƢỚC

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

NGUYỄN THỊ HƢƠNG THÚY

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG TÍNH CHẤT
QUANG XÚC TÁC VẬT LIỆU NANO BiTaO4 ĐỂ PHÂN HỦY
PHENOL TRONG NƢỚC

NGUYỄN THỊ HƢƠNG THÚY

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ĐÀO NGỌC NHIỆM

HÀ NỘI, NĂM 2019

CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hƣớng dẫn chính: PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm – Viện Vật liệu –
Viện Hàm lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam .
Cán bộ chấm phản biện 1:PGS. TS. Nguyễn Hữu Tùng- Đại học Bách
khoa Hà nội.
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Trần Mạnh Trí- Đại học Khoa học Tự
nhiên Hà nội.

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Ngày 17 tháng 01 năm 2019

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bài luận văn này là thành quả thực hiện của bản thân tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài vừa qua.
Những kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày trong luận văn này là trung thực do
tôi và các cộng sự thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm –
Trƣởng phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam.
Các kết quả nêu trong luận văn chƣa đuợc công bố trong bất kỳ công trình nào
của các nhóm nghiên cứu khác.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo cáo
này.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Hƣơng Thúy

ii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này một cách hoàn chỉnh, lời đầu tiên với lòng kính
trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Ngọc
Nhiệm, Trƣởng phòng Vật liệu Vô cơ – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam. – ngƣời đã hƣớng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi thực hiện thành công luận văn
thạc sỹ này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo khoa Môi trƣờng cùng các
thầy cô phòng Phân tích khoa Môi trƣờng - trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi
trƣờng Hà Nội đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn Thầy giáo TS. Mai Văn Tiến- Giảng viên Trƣờng Đại học
Tài nguyên và Môi trƣờng đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện
và hoàn thành luận.
Xin cảm ơn anh Đoàn Trung Dũng, chị Nguyễn Hà Chi phòng Phân tích Vô
cơ- Viện Khoa họcVật liệu, đã giúp đỡ tôi về thiết bị máy móc sử dụng.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, nguời thân và bạn
bè luôn mong muốn tôi hoàn thành tốt bài luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn dù đã rất cố gắng nhƣng không thể tránh
khỏi những thiết sót, vì vậy em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý Hội
đồng, quý thầy cô và các bạn để luận văn của em đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội ngày 17 tháng 01 năm 2018

Học viên

Nguyễn Thị Hƣơng Thúy

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2
3. Nội dung luận văn ...................................................................................................3
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................4
1.1. Tình hình nghiên cứu về quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 ứng dụng để xử
lý phenol. .....................................................................................................................4
1.1.1. Tình hình nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 trên thế
giới.................... ..........................................................................................................4
1.1.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 ở trong
nƣớc........... ..................................................................................................................5
1.2. Tổng quan về vật liệu quang xúc tác nano BiTaO4..............................................5
1.2.1. Tổng quan về nguyên lí hệ quang xúc tác .........................................................5
1.2.2. Đặc điểm, tính chất vật liệu BiTaO4 .................................................................9
1.3. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano BiTaO4 ....................................................10
1.3.1 Phƣơng pháp sol-gel.........................................................................................11

1.3.2. Phƣơng pháp đồng kết tủa ...............................................................................13
1.3.3. Phƣơng pháp phản ứng pha rắn.......................................................................14
1.4. Tổng quan về phenol ..........................................................................................15
1.4.1. Giới thiệu về phenol ........................................................................................15
1.4.2. Nguồn gốc phát sinh của phenol .....................................................................15
1.4.3. Ảnh hƣởng của phenol tới con ngƣời và môi trƣờng ......................................16
1.4.4. Các phƣơng pháp xử lý phenol trong môi trƣờng nƣớc ..................................18
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........22
iv


2.1. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ........................................................................22
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu .....................................................................................22
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................22
2.2. Hóa chất, thiết bị sử dụng .................................................................................22
2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất .....................................................................................22
2.2.2. Thiết bị sử dụng..............................................................................................23
2.3. Tổng hợp chế tạo vật liệu nano BiTaO4 .............................................................23
2.3.1. Quy trình sơ đồ tổng hợp vật liệu BiTaO4 bằng phƣơng pháp đốt cháy gel. .24
2.3.2. Khảo sát và tối ƣu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu .................25
2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái và kích thƣớc vật liệu ...........25
2.4.1. Phƣơng pháp nhiệt trọng lƣợng – vi sai nhiệt lƣợng (TG-DTA) ....................25
2.4.2. Phƣơng pháp phân tích Phổ hồng ngoại IR ....................................................26
2.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu (kính hiển vi điện
tử quét SEM-TEM) ...................................................................................................26
2.4.4. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................27
2.4.5. Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phƣơng pháp đo BET) ........28
2.4.6. Phƣơng pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu ..............................29
2.4.7. Thiết bị phản ứng quang hóa (Photochemical) ...............................................30
2.4.8. Phƣơng pháp phổ UV-VIS .............................................................................32

2.5. Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình quang xúc tác của vật liệu nano
BiTaO4 .......................................................................................................................33
2.5.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình quang xúc tác xử lý phenol ......33
2.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng vật liệu tới khả năng quang xúc tác của vật
liệu.......... ...................................................................................................................33
2.5.4. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng quang xúc tác của vật liệu ...........34
2.5.5. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu .....................................................34
2.5.6. Hiệu suất quá trình xúc tác quang của vật liệu để xử lý phenol trong môi
trƣờng nƣớc. ..............................................................................................................34
2.6. Xác định nồng độ phenol trong nƣớc theo SMEWW 5530:C:2012 ..................35

v


2.6.1. Chuẩn bị dung dịch và phƣơng pháp xác định nồng độ các chất hữu cơ........35
2.6.2. Xác định nồng độ phenol trong nƣớc dựa vào phƣơng pháp SMEWW
5530:C:2012 ..............................................................................................................36
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................38
3.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng các điều kiện tổng hợp đến tính chất của vật liệu
xúc tác quang nano BiTaO4.......................................................................................38
3.1.1. Ảnh hƣởng của chất tạo gel đến sự hình thành pha của vật liệu .....................38
3.1.2. Ảnh hƣởng nhiệt độ nung đến sự hình thành pha của vật liệu BiTaO4 ..........39
3.2. Kết quả phân tích, đặc trƣng tính chất của vật liệu ............................................40
3.2.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại IR .............................................................40
3.2.2. Phổ EDX của vật liệu sau khi nung ................................................................41
3.2.3. Giản đồ XRD của vật liệu đƣợc nung ở nhiệt độ 750oC trong 2 giờ ..............43
3.2.4. Hình ảnh TEM của vật liệu BiTaO4 đƣợc nung ở điều kiện tối ƣu 750oC .....44
3.2.5. Phổ UV - VIS rắn của mẫu vật liệu nung BiTaO4 750oC ...............................46
3.2.6. Điểm đẳng điện của vật liệu BiTaO4 đƣợc chế tạo ở điều kiện tối ƣu 750oC.46
3.3. Kết quả khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng phân hủy phenol của vật liệu

BiTaO4 .......................................................................................................................48
3.3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình quang xúc tác phân hủy phenol 48
3.3.2. Ảnh hƣởng của lƣợng xúc tác đến quá trình quang xúc tác phân hủy phenol
của vật liệu BiTaO4 ...................................................................................................48
3.3.3.Ảnh hƣởng của pH đến khả năng quang xúc tác phân hủy phenol của vật
liệu..... ........................................................................................................................49
3.3.4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu với quá trình quang xúc tác xử lý
phenol...... ..................................................................................................................49
3.3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu BTO750 trong điều kiện không chiếu
sáng............................................................................................................................50
3.4. Điều kiện công nghệ thích hợp tổng hợp vật liệu quang xúc tác nano BiTaO4 .51
3.5. Kết quả thử nghiệm đối với mẫu môi trƣờng thực tế .........................................52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................53

vi


1. Kết luận .................................................................................................................53
2. Kiến nghị ...............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

SMEWW

: Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water

CTPT

: Công thức phân tử

KHTN

: Khoa học tự nhiên

ĐHQGHN

: Đại học Quốc gia Hà Nội

DD

: Dung dịch

SEM

: Scanning Electron Microscope

TGA

: Thermal gravimetric analysis

TEM

: Transmission Electron Microscope

DTA

: Differential Thermal Analysis

DSC

: Differential scanning calorimetry

BET

: Brunauer-Emmet-Teller

PVA

: polyvinyl ancolhol

IR

: Infrared

SC

: Semiconductor (Chất bán dẫn)

CB

: Vùng dẫn

EDX

: Energy - Dispersive X - ray (Tán xạ năng lƣợng tia X)

BTO

: BiTaO4

KPH

: Không phát hiện

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số oxit kim loại thu đƣợc bằng phƣơng pháp sol-gel........................12
Bảng 1.2. Một số hợp chất có kích thƣớc nano đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp
đồng kết tủa ...............................................................................................................13
Bảng 1.3. Nồng độ phenol trong nƣớc thải của một số ngành công nghiệp .............16
Bảng 1.4. Khả năng oxy hóa của một số tác nhân oxi hóa .......................................20
Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất nghiên cứu ..........................................................22
Bảng 3.1. Thành phần của vật liệu lý thuyết so sánh với kết quả thực tế thu đƣợc..43
Bảng 3.2. Kết quả nghiên cứu sự phụ thuộc của ΔpH vào pHi trên oxit nano
BTO750 .....................................................................................................................46
Bảng 3.3. Các kết quả nghiên cứu về vật liệu BiTaO4 ..............................................47
Bảng 3.4. Khả năng quang xúc tác phân hủy phenol của vật liệu theo thời gian bởi
các vật liệu khác nhau ...............................................................................................48
Bảng 3.5. Điều kiện tối ƣu tổng hợp vật liệu xúc tác quang nano BiTaO4 ...............52
Bảng 3.6. Kết quả thử nghiệm mẫu môi trƣờng........................................................52

ix

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn. .....................................................6
Hình 1.2. Giản đồ các mức năng lƣợng của BiTaO4 [40] ...........................................8
Hình 1.3. Giản đồ năng lƣợng độ rộng vùng cấm của hệ vật liệu BiTaO4 .................9
Hình 1.4. Cấu trúc của vật liệu BiTaO4 ......................................................................9
Hình 2.1. Quá trình tổng hợp vật liệu BTO bằng phƣơng pháp đốt cháy gel PVA ..24
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của P/V(P0-P) vào P/Po. ..........................29
Hình 2.3. Sơ đồ chung của hệ thiết bị phản ứng quang hóa Photochemical UV. .....31
Hình 2.4. Tủ bảo vệ của hệ thiết bị quang xúc tác ....................................................32
Hình 3.1. Giản đồ TG-DTA của gel tạo bởi PVA ....................................................38
Hình 3.2. Giản đồ XRD của các vật liệu đƣợc nung ở các nhiệt độ nung ................39
Hình 3.3. Phổ IR của gel PVA đƣợc pha vào nƣớc ở nhiệt độ 80oC ........................40
Hình 3.4. Phổ IR của gel vật liệu sau khi đƣợc hòa tan hỗn hợp hai muối ở 80oC ..41
Hình 3.5. Phổ EDX của vật liệu BiTaO4 đƣợc nung ở nhiệt độ 750oC ....................43
Hình 3.6. Phổ XRD của vật liệu nano BiTaO4 đƣợc nung ở 750oC .........................44
Hình 3.7. Hình ảnh TEM của vật liệu BiTaO4 đƣợc nung ở 750oC trong 2 giờ. ......45
Hình 3.8. Phổ UV-VIS của mẫu tối ƣu đƣợc nung ở nhiệt độ 750oC .......................46
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của ΔpH vào pHi trên oxit nano BTO750 ...........................47
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của lƣợng xúc tác đến quá trình phân hủy phenol của vật liệu
BTO750 sau thời gian 60 phút ..................................................................................48
Hình 3.11. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng quang xúc tác phân hủy phenol của vật
liệu BTO750 sau 60 phút ..........................................................................................49
Hình 3.12. Khả năng tái sử dụng phân hủy phenol của vật liệu BTO750oC ............50

x


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn Full