Luận văn thạc sĩ hóa học: 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

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


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


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



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

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


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


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
hàm đường cong nhiệt
thermogravimetry
khối lượng

7

TG/DTG

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

12

SEM

13

TEM

Scanning Electron
Microscopy
Transmission Electron
Microscopy

Kính hiển vi điện tử
quét
Kính hiển vi điện tử
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


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


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


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về ô nhiễm hữu cơ trong môi trƣờng nƣớc
Trong những năm gần đây, các ngành công nghiệp nhẹ ở Việt Nam như:
công nghệ dệt nhuộm, da giầy, in, chế biến nông sản…ngày càng phát triển song
song với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Nhưng do quy mô các
công ty, xí nghiệp và các làng nghề không lớn nên khả năng xử lý nước thải chưa
được chú trọng. Nguồn thải chưa được xử lý hoặc xử lý chưa hoàn toàn từ các khu
công nghiệp này được thải trực tiếp ra ngoài gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là
môi trường nước. Các nguồn thải ra môi trường nước một lượng các hợp chất hữu
cơ lớn, khó phân hủy làm ảnh hưởng đến chất lượng nước, gây ngộ độc cho các loài
thủy sinh và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước phục vụ cho các hoạt động
trong sản xuất và sinh hoạt của con người.
Chỉ riêng với ngành công nghiệp dệt nhuộm, nước thải ra môi trường chứa
các hợp chất tạo màu hữu cơ trong quá trình sản xuất gây ô nhiễm môi trường
nghiệm trọng. Hơn nữa, ngành công nghiệp dệt nhuộm trong nước hầu hết dưới
dạng làng nghề thủ công và công ty có quy mô nhỏ, nước thải ra thường không
được xử lý hoặc chỉ được xử lý một phần và được thải trực tiếp ra sông hồ, gây ô
nhiễm nguồn nước. Các nguồn thải này đều có các chỉ số pH, DO, BOD, COD,…rất

cao vượt quá tiêu chuẩn cho phép được thải ra môi trường sinh thái.[3, 6]
Như vậy, nước thải công nghiệp nói chung và nước thải ngành dệt nhuộm
nói riêng để đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra môi trường sinh thái cần tuân thủ
nghiêm ngặt khâu xử lý các hóa chất gây ô nhiễm môi trường có mặt trong nước
thải sau khi sản xuất hoặc chế biến các sản phẩm công nghiệp.
Hiện nay, việc xử lý các chất hữu cơ độc hại trong đó có xanh metylen,
metyl da cam (là các phẩm màu được sử dụng phổ biến trong công nghiệp) trong
môi trường nước là vấn đề cấp thiết và được quan tâm hàng đầu bởi các nhà khoa
học trong và ngoài nước.

3


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

1.1.1. Một số phương pháp xử lý hợp chất hữu cơ trong nước thải [7]
Tùy thuộc vào đặc điểm, tính chất và nguồn gốc của nước thải mà nước thải
được phân thành nhiều loại và có các cách xử lý phù hợp.Nước thải dệt nhuộm có
đặc điểm là chứa tổng hàm lượng chất rắn hòa tan, chất rắn lơ lửng, độ màu, BOD
và COD cao. Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm có thể kể đến như:
phương pháp hấp phụ, phương pháp keo tụ, phương pháp oxi hóa, siêu âm, plasma
nguội…
a) Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ có khả năng xử lý các chất khó phân hủy sinh học
hoặc các chất hữu cơ khó phân hủy. Trong công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm,
thường dùng chúng để khử màu nước thải chứa thuốc nhuộm hòa tan và thuốc
nhuộm hoạt tính. Cơ sở của quá trình là sự hấp phụ chất tan lên bề mặt chất rắn
(chất hấp phụ), sau đó giải hấp để tái sinh chất hấp phụ.Các chất hấp phụ thườn

được sử dụng là than hoạt tính, than nâu, đất sét, magie cacbonat. Trong số đó, than
hoạt tính cho kết quả hấp phụ hiệu quả nhất do có bề mặt riêng lớn 400 – 1500
m2/g. Nhu cầu lượng than hoạt tính để xử lý chất thải màu là khác nhau, trong đó có
sự tổn thất do quá trình hoạt hóa nhiệt cho than. Phương pháp này có nhiều ưu điểm
nhưng không kinh tế nên không được sử dụng rộng rãi.
b) Phương pháp keo tụ
Phương pháp keo tụ là phương pháp thông dụng để xử lý nước thải dệt
nhuộm. Người ta thường dùng các loại phèn nhôm hoặc phèn sắt, hay dùng cả hai
loại phèn này với canxi hydroxit Ca(OH)2 với mục đích khử màu và một phần COD
trong nước thải.
Khi hòa tan phèn vào trong nước tạo thành các hydroxit dạng bông xốp, các
chất màu và các chất hữu cơ khó phân hủy bị hấp phụ vào các bông và lắng xuống
tạo bùn. Để tăng quá trình keo tụ, tạo bông thường bổ sung chất trợ keo như polime
hữu cơ.

4


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Bên cạnh phương pháp keo tụ hóa học, phương pháp keo tụ điện hóa đã được
ứng dụng để khử màu ở quy mô công nghiệp.Nguyên lý của phương pháp này là
trong thiết bị keo tụ có các điện cực, giữa các điện cực có dòng điện một chiều để
làm tăng quá trình kết bám tạo bông cặn dễ lắng. Điều kiện làm việc tối ưu của hệ
thống này là cường độ dòng điện 1800 mA, điện thể 8 V, pH = 5,5 – 6,5.
c) Phương pháp oxi hóa
Phương pháp oxi hóa thường được dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ trong
nước thải dệt nhuộm. Do các hợp chất hữu cơ trong nước thải có cấu trúc phức tạp

nên phải dùng các chất có tính oxi hóa mạnh để phá vỡ các phân tử thuốc nhuộm
thành các phần tử nhỏ hơn, có cấu tạo đơn giản hơn. Các chất oxi hóa được dùng
phổ biến hiện nay là Ozon, Clo, H2O2…
Ozon là chất oxi hóa mạnh, được dùng để phá hủy các hợp chất hữu cơ, đặc
biệt là các hợp chất màu azo có mặt trong nước thải dệt nhuộm. Ưu điểm của nó là
dễ tan trong nước, tốc độ phản ứng nhanh, xử lý triệt để, không tạo bùn cặn, cải
thiện phân giải vi sinh, giảm chỉ số COD của nước. Ozon có thể sử dụng đơn lẻ hay
kết hợp với hyđroperoxit, tia tử ngoại, siêu âm, hấp phụ than hoạt tính để phá hủy
nhiều thuốc nhuộm azo như: N-rot-green, N-orange và indigo rabinol.
Hydroperoxit cũng là một chất oxi hóa mạnh, có khả năng oxi hóa nhiều hợp
chất hữu cơ và vô cơ.Tuy nhiên, nếu phản ứng oxi hóa chỉ bằng H2O2 thì không đủ
hiệu quả để oxi hóa các chất có nồng độ lớn.Sự kết hợp giữa H2O2 và FeSO4 tạo nên
hiệu ứng Fenton, cho phép khoáng hóa rất nhiều hợp chất hữu cơ và nhiều loại
thuốc nhuộm khác nhau (hoạt tính, trực tiếp, bazơ, axit và phân tán), làm giảm chỉ
số COD của nước.
Các chất chứa clo hoạt tính (NaOCl, Cl2,…) có thể xử lý nhiều thuốc nhuộm
khác nhau tương đối hiệu quả, tuy nhiên nó cũng có những hạn chế nhất định. Một
số nghiên cứu chỉ ra rằng, việc xử lý các chất màu họ azo có thể được oxi hóa bởi
NaOCl, nhưng sau khi phá hủy các hợp chất hữu cơ, các halogen dễ dàng hình
thành các trihalogenmetan và gây ô nhiễm môi trường thứ cấp.

5


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

d) Phương pháp siêu âm [16]
Một số sóng siêu âm được sử dụng cho phép sản sinh các vi bọt rỗng trong

dung dịch lỏng. Các bọt rỗng này được tạo thành trong chu kì khan hiếm không khí
của sóng truyền âm.
Tần số siêu âm được sử dụng trong khoảng từ 20 đến 500 MHz. Sự phân hủy
chất ô nhiễm hữu cơ một mặt xảy ra theo cơ chế gốc tự do, mặt khác xảy ra do sự
đốt trong các bọt rỗng (≈ 3000ºC). Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào các tính chất vật lý
và hóa học của các chất ô nhiễm hữu cơ.Một trong những khó khăn của phương
pháp siêu âm là hiệu quả phân hủy thấp.Tuy nhiên, các nghiên cứu đã cho thấy bức
xạ siêu âm cho phép tăng hiệu quả của quá trình quang xúc tác.So sánh quá trình
quang xúc tác, siêu âm và quang xúc tác kết hợp siêu âm thực hiện bởi Meazawa và
cộng sự đối với phân hủy axit da cam đã chỉ ra rằng quá trình kết hợp cho kết quả
tốt hơn cả. [23]
e) Plasma nguội
Gần đây, phương pháp mới phóng tia lửa điện hồ quang “Glidarc” đã chứng
minh được hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm trong dung dịch cũng như trong pha
khí, thực tế, tia lửa điện hồ quang là quá trình phóng điện sinh ra trong trường điện
tích có mật độ cao được hình thành giữa 2 hoặc 3 điện cực khác nhau và trượt dưới
phương pháp khí plasma. Quá trình phóng điện này được gọi là hồ quang nguội, kéo
theo hình thành các ion dương, ion âm, điển tử và chất hoạt hóa khác. Các chất
trong plasma phụ thuộc vào trạng thái tự nhiên của khí plasma.Trong trường hợp
khí ẩm, các chất này được sinh ra từ N2, O2, và H2O.Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng
có sự có mặt của N2 và oxit nitơ, các gốc NO·, OH·, HO2 trong khí plasma ẩm.
1.1.2. Ứng dụng xúc tác quang xử lý Methyl da cam (MO) trong môi
trường nước
Metyl da cam (MO) là một chất bột tinh thể màu da cam, không tan trong
dung môi hữu cơ, khó tan trong nước nguội, nhưng dễ tan trong nước nóng. Công
thức phân tử của metyl da cam là C14H14N3NaO3S và cấu trúc hóa học như Hình

6

Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

1.4, khối lượng phân tử 327,34 đvc, khối lượng riêng 1,28g/cm3. Hợp chất methyl
da cam là hợp chất màu azo (chứa nhóm mang màu –N=N-) , thuộc loại thuốc
nhuộm axit, có tính độc mạnh và có tính chất lưỡng tính với hằng số axit Ka = 4.104

. Trong môi trường kiềm và trung tính, metyl da cam có màu vàng và chuyển dần

sang màu đỏ khi pH của môi trường thay đổi tới môi trường axit, với khoảng pH
chuyển màu từ 3,1 đến 4,4. Do có cấu tạo mạch cacbon khá phức tạp và cồng kềnh,
liên kết –N=N- và vòng benzen khá bền vững nên methyl da cam rất khó bị phân
hủy.

Hình 1.1. Công thức cấu tạo của hợp chất methyl da cam
Metyl da cam thường được sử dụng để nhuộm trực tiếp các loại sợi động vật,
các loại sợi có chứa nhóm bazơ như len, tơ tằm, sợi tổng hợp polyamit trong môi
trường axit, ngoài ra cũng có thể nhuộm xơ sợi xenlulozơ với sự có mặt của urê. Do
có khả năng chuyển màu từ đỏ sang vàng khi pH của dung dịch thay đổi nên metyl
da cam còn được sử dụng làm chất chỉ thị trong Hóa phân tích.
Trong môi trường nước, chỉ một lượng nhỏ metyl da cam đã có thể cảm giác
về màu sắc.Lượng metyl da cam trong nước càng lớn màu càng đậm. Màu đậm của
nước thải cản trở sự hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời gây tác hại cho sự hô hấp,
sinh trưởng của các loài thủy sinh, làm tác động xấu đến khả năng phân giải vi sinh
vật đối với các chất hữu cơ trong nước thải. Việc loại bỏ lượng dư metyl da cam
khỏi môi trường nước là rất cần thiết.
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng phương pháp quang xúc tác để phân hủy
metyl da cam. Trong đó, đa số các nghiên cứu được tiến hành trong vùng ánh sáng
tử ngoại với vật liệu là TiO2. Một số kết quả cho thấy, sử dụng TiO2 xúc tác quang

trong vùng tia UV cho hiệu suất xử lý đạt 76%, sau 120 phút phản ứng [36]; hay

7


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

biến tính TiO2 bằng cách hấp phụ một số kim loại như Fe, Co, Mn, Cu lên bề mặt
oxit này để tăng khả năng phân hủy, đạt hiệu suất 98% sau thời gian chiếu sáng tia
UV 180 phút [35]. Như vậy, ta có thể thấy rằng, quang xúc tác là phương pháp rất
tiềm năng giúp xử lý metyl da cam đạt hiệu suất cao. Ở đề tài này, chúng tôi lựa
chọn metyl da cam làm đối tượng nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu
BNO với hi vọng rút ngắn thời gian phản ứng, tận dụng được ánh sáng trong vùng
khả kiến do năng lượng vùng cấm của vật liệu BiNbO4 thấp hơn TiO2.
1.1.3. Ứng dụng xúc tác quang xử lý Xanh methylen (MB) trong môi
trường nước
Xanh Methylen (MB) là một chất màu thuộc họ thiozin, công thức hóa học là
C16H18N3SCl và có công thức cấu tạo như Hình 1.5, khối lượng phân tử 319,85
g/mol. Đây là một hợp chất có màu xanh đậm, có màu lam khi hòa tan trong nước
và ổn định ở nhiệt độ phòng. Dạng dung dịch 1% có pH từ 3 – 4,5. Khi phân hủy sẽ
sinh ra khí độc như: Cl2, NO, CO, SO2, CO2, H2S. Xanh methylen nguyên chất
100% dạng bột hoặc tinh thể.

Hình 1.2. Công thức cấu tạo của hợp chất xanh methylen
Trong Hóa phân tích, xanh metylen được sử dụng như một chất chỉ thị với
thể oxi hóa khử tiêu chuẩn là 0,01V để phân tích một số nguyên tố theo phương
pháp động học. Trong công nghiệp, xanh methylen được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành như : ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ; sản xuất mực in do khả năng bám

màu tốt; trong xây dựng để kiểm nghiệm đánh giá chất lượng bê tông và vữa; trong
y học được sử dụng để chữa một số bệnh ngoài da, các bệnh về nấm, vi khuẩn và kí
sinh trùng.

8


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Trong môi trường nước, xanh metylen bị hấp thu vào vật chất lơ lửng, bùn
đáy ao và không có khả năng bay hơi ra khỏi bề mặt nước. Nếu thải vào trong
không khí, xanh metylen sẽ tổn tại cả dạng hơi và bụi lơ lửng. Dạng hơi sẽ bị phân
hủy do phản ứng quang phân với các gốc oxi hóa. Mặc dù không phải là hóa chất
gây độc cao, nhưng xanh methylen có thể gây tổn thương tạm thời da, mắt trên con
người và động vật khi tiếp xúc trực tiếp.Nó có thể gây khó thở trong thời gian ngắn
khi hít phải và đối với hệ tiêu hóa nếu nuốt phải xanh methylen gây ra các triệu
chứng nóng ruột, buồn nôn, chóng mặt.
Do những tính chất đặc thù của xanh methylen nên nó thường được chọn làm
đối tượng trong những nghiên cứu về vấn đề phân hủy hợp chất hữu cơ theo hướng
quang xúc tác. Một số nghiên cứu trước đó có thể kể đến như việc sử dụng vật liệu
quang xúc tác TiO2, ZnO để xử lý xanh metylen.Kết quả thực nghiệm của một số đề
tài này cũng cho kết quả xử lý chất màu tương đối tốt. Với ZnO, sau thời gian chiếu
sáng bằng tia UV 90 phút, có thêm xúc tác H2O2, hiệu quả xử lý đạt tới 99,99%.
[24]. Rusmidal Ali và Ooi Boon Seiw đã nghiên cứu kết hợp hai oxit TiO2 và ZnO
với tỉ lệ thích hợp cũng cho thấy hiệu suất phân hủy MB rất cao, đạt 96,97% [28] và
chỉ ra sự phụ thuộc của hiệu suất xử lý vào bước sóng ánh sáng và sự có mặt của
các ion kim loại như Cu2+, Pb2+. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn đang dừng lại
ở việc sử dụng nguồn sáng là tia tử ngoại mà chưa tận dụng nguồn năng lượng giàu

có nhất trong năng lượng mặt trời là ánh sáng vùng khả kiến. Ở đề tài này, chúng tôi
lựa chọn xanh metylen là đối tượng tiếp theo để nghiên cứu khả năng quang xúc tác
của BiNbO4 với ánh sáng nhìn thấy.
1.2. Vật liệu quang xúc tác
1.2.1. Khái niệm phản ứng xúc tác quang
Trong hóa học, khái niệm phản ứng xúc tác quang dùng để nói đến những
phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng. Nói cách
khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.
Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp electron –

9


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

lỗtrống quang sinh ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Những cặp electron – lỗ trống này
sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa- khử. Xúc tác quang là một
trong những quá trình oxi hóa – khử nhờ tác nhân ánh sáng. Bằng cách như vậy,
chất xúc tác quang làm tăng tốc độ phản ứng quang hóa, cụ thể là tạo ra một loạt
quy trình giống như phản ứng oxy hoá - khử và các phân tử ở dạng chuyển tiếp có
khả năng oxy hoá - khử mạnh khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp. [5]
1.2.2. Vùng hóa trị – vùng dẫn, năng lượng vùng cấm
Theo lí thuyết vùng, cấu trúc của vật chất gồm có một vùng gồm những obitan
phân tử được xếp đủ electron, gọi là vùng hóa trị (Valance band – VB) và một vùng
gồm những obitan phân tử còn trống electron, gọi là vùng dẫn (Conduction band –
CB). Hai vùng này được chia cách nhau bởi một khoảng cách năng lượng gọi là
vùng cấm, năng lượng vùng cấm Eg (band gap energy) chính là độ chênh lệch năng
lượng giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn. [5]

Chất không dẫn

Chất bán dẫn

Chất dẫn điện

Hình 1.3. Vùng năng lượng của chất cách điện, bán dẫn, chất dẫn điện [18]
Sự khác nhau giữa vật liệu dẫn, không dẫn và bán dẫn chính là sự khác nhau
về giá trị năng lượng vùng cấm Eg. Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính chất trung
gian giữa vật liệu dẫn và vật liệu không dẫn. Khi được kích thích đủ lớn bởi năng
lượng (lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg), các electron trong vùng hóa trị (VB) của
vật liệu bán dẫn có thể vượt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn (CB), trở thành chất
dẫn có điều kiện. Nói chung, những chất có Eg lớn hơn 3,5 eV là chất không dẫn,
ngược lại những chất có Eg thấp hơn 3,5 eV là chất bán dẫn. Những chất bán dẫn
đều có thể làm chất xúc tác quang. [5]
10


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

1.2.3. Cơ chế phản ứng quang xúc tác dị thể
Quá trình xúc tác quang dị thể có thể được tiến hành ở pha khí hoặc pha
lỏng. Dưới tác dụng của ánh sáng, cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn gồm các
quá trình sau:

Hình 1.4. Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn
- Quá trình vật liệu bán dẫn hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời tạo thành cặp

electron–lỗ trống quang sinh.

C (chất bán dẫn) + hν → h VB + e CB

- Quá trình di chuyển cặp electron – lỗ trống quang sinh lên bề mặt chất bán dẫn
- Quá trình tái kết hợp electron – lỗ trống quang sinh bên trong (vùng hóa trị - vùng
dẫn) và trên bề mặt chất bán dẫn.
- Quá trình tạo các gốc tự do bởi electron và lỗ trống quang sinh. Các electron–lỗ
trống quang sinh có khả năng phản ứng cao hơn so với các tác nhân oxi hóa - khử
đã biết trong hóa học.
- Các electron–lỗ trống quang sinh chuyển đến bề mặt và tương tác với một số chất
bị hấp thụ như nước và oxy, tạo ra những gốc tự do trên bề mặt chất bán dẫn theo cơ
chế:
h VB + H2O → HO  + H+
h

 O 
e CB
+ O2 
2

Các gốc tự do HO  , O 
đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân
2
hủy các hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với chúng.

11


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Gốc HO  là một tác nhân oxi hóa rất mạnh, không chọn lọc và có khả năng oxi hóa
hầu hết các hợp chất hữu cơ. Quá trình phân hủy một số hợp chất hữu cơ gây ô
nhiễm diễn ra như sau:
R + HO  → CO2 + H2O + ...
Như vậy, sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm là khí
CO2, H2O và các chất vô cơ khác.
1.3. Vật liệu xúc tác quang BiNbO4
1.3.1. Vật liệu BiNbO4
Bitmut niobat BiNbO4 (thường được viết là BNO) là oxit phức hợp dạng
ABO4 của ba nguyên tố bitmut, niobi và oxi.BNO tồn tại ở hai dạng thù hình là trực
thoi ở nhiệt độ thấp (α) [26, 27] và dạng tam tà ở nhiệt độ cao (β) [10].

Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BiNbO4
a) α-BiNbO4;

b) β- BiNbO4

Các vật liệu dạng oxit phức hợp có cấu trúc ABO4 được phân loại vào cùng
một họ. Các chất này gồm hai nguyên tố A và B (không nhất thiết phải khác nhau)
liên kết với oxi như KMnO4, CaMoO4, GdAsO4, ZrSiO4 và TiTiO4… Hai nguyên tố
A và B được nhóm lại thành cặp theo số oxi hóa của 2 nguyên tố như cặp I – VII, II
– VI, III – V, IV – IV trong hợp chất. Các vật liệu hệ ABO4 có cấu trúc tinh thể tồn

12


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

tại ở nhiều dạng như scheelite (CaWO4), wolfra-mite (FeWO4), monazit (CePO4),
zircon (ZrSiO4), rutile (TiO2), barit (BaSO4) [17]. Các oxit phức hợp họ ABO4 còn
tồn tại ở các hệ tinh thể khác nhau như hệ đơn tà, trực thoi hay tứ phương tùy thuộc
vào nhiệt độ và áp suất tổng hợp vật liệu [17, 30, 38].Ở hệ vật liệu BiNbO4, sự
chuyển hóa một chiều (dạng bột) từ dạng α sang dạng β ở nhiệt độ 1020oC [26, 27,
31].
Các oxit phức hợp ABO4 chứa các nguyên tố nhóm đất hiếm nhẹ (La, Ce,
Nd) và các nguyên tố chuyển tiếp nhóm VB (V, Ta, Nb) là các vật liệu tiên tiến,
thường được ứng dụng trong công nghiệp bởi các tính chất vật lý như khả năng phát
quang, tính chất điện, từ và đặc biệt với hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng khử
hydro, phản ứng quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ. Trong nghiên cứu
này, nguyên tố chuyển tiếp Nb được sử dụng để chế tạo vật liệu.
Các vật liệu họ ABO4 thường được tổng hợp chủ yếu bằng phương pháp gốm
truyền thống, phương pháp nuôi đơn tinh thể, phương pháp thủy nhiệt đi từ các tiền
chất là các oxit kim loại có độ tinh khiết cao, được phối trộn ở nhiệt độ cao với áp
suất lớn và thời gian chế tạo vật liệu dài. Trong đề tài này, tôi tiến hành tổng hợp
vật liệu BiNbO4 bằng phương pháp đốt cháy gel polyme để đơn giản hóa điều kiện
tổng hợp mẫu mà vẫn thu được vật liệu ở dạng tinh thể có kích cỡ nanomet.
1.3.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu BiNbO4
a) Phương pháp pha rắn truyền thống
Phương pháp pha rắn là phương pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu. Đặc
điểm chung của phản ứng pha rắn là rất ít xảy ra ở nhiệt độ thường, xảy ra ở nhiệt
độ cao. Điểm bắt đầu phản ứng tại những vị trí khuyết tật, sai lệch trên bề mặt. Tốc
độ phản ứng tỉ lệ với bề mặt tiếp xúc chung của các ion. Tùy thuộc vào độ linh động
của các ion và khả năng tạo dung dịch rắn của các chất mà tạo thành mạng lưới tinh
thể.
Ưu điểm của phương pháp là thiết bị đơn giản, dễ thực hiện nhưng lại có

nhiều khuyết điểm như tiền chất phải thật tinh khiết, thời gian phản ứng dài, nhiệt

13


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

độ phản ứng cao, sản phẩm thu được còn tồn tại nhiều thành phần pha không mong
muốn và kích thước hạt không đồng đều.
Vật liệu BiNbO4 được tổng hợp bằng phương pháp này đi từ tiền chất là các
oxit Bi2O3 và Nb2O5. Tuy nhiên, để thu được vật liệu BNO đơn pha kích thước
nanomet là rất khó. Trên thực tế, bằng phản ứng pha rắn truyền thống, điều này rất
khó đạt được và phụ thuộc vào điều kiện chế tạo, độ tinh khiết của các chất đầu vào,
khả năng dễ bay hơi của Bi2O3 ở nhiệt độ cao cũng khiến quá trình phản ứng gặp
nhiều khó khăn. Hơn nữa, sau quá trình phản ứng cũng thường thu được các pha
không mong muốn khác như Bi5Nb3O15 hoặc Bi3NbO7.
b) Phương pháp nuôi đơn tinh thể
Phương pháp nuôi đơn tinh thể là một phương pháp chủ yếu được sử dụng để
chế tạo các loại hợp chất có cấu trúc đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao.Một trong
những yếu tố quan trọng nhất là nguyên liệu ban đầu cho việc nuôi đơn tinh thể phải
thuộc loại rất tinh khiết (siêu sạch), sự có mặt của chất bẩn ảnh hưởng rất lớn đến
độ hoàn chỉnh của tinh thể để từ đó ảnh hưởng đến các tính chất vật lí của sản
phẩm.Bởi vậy, không những chất ban đầu dùng để nuôi tinh thể phải siêu sạch mà
các dụng cụ đựng, phòng làm việc, khí quyển trong thiết bị nuôi đơn tinh thể cũng
phải bảo đảm rất sạch. Quá trình kết tinh là quá trình tỏa nhiệt, do đó để đảm bảo
điều kiện cân bằng cho sự phát triển tinh thể thật hoàn chỉnh phải có những bộ phận
thu hồi lượng nhiệt tỏa ra khi kết tinh.
Quá trình nuôi đơn tinh thể rất phức tạp do yêu cầu nhiều thông tin và kiến

thức liên quan đến quá trình kết tinh như: kiểu mạng lưới, các thông số mạng, các
dung môi có thể hòa tan được tinh thể đó, các giản đồ pha ở các áp suất khác nhau
của chất nghiên cứu và các chất có thể làm dung môi, các thông số hóa lí như nhiệt
độ nóng chảy, hiệu ứng nhiệt nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt độ thăng hoa, các điểm
chuyển pha, hệ số giãn nở nhiệt, độ tan ở nhiệt độ khác nhau trong các dung môi
khác nhau…
Tùy thuộc vào loại vật liệu mà có nhiều cách tổng hợp đơn tinh thể. Có thể
phân thành 3 nhóm phương pháp nuôi đơn tinh thể: kết tinh từ dung dịch nước hoặc

14


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

dung dịch với dung môi không phải là nước; kết tinh từ pha lỏng nguyên chất của
chất đó; kết tinh từ pha hơi.
Vật liệu BiNbO4 đã được tổng hợp bằng phương pháp nuôi đơn tinh thể, αBiNbO4 được kết tinh từ hỗn hợp BiOF nóng chảy và NbO6ở nhiệt độ dưới
900ºC.Tinh thể tạo ra không màu, có dạng hình thang và cách điện. [29]
c) Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt
độ cao hơn điểm sôi bình thường. Lúc đó, nước thực hiện hai chức năng thứ nhất vì
ở trạng thái hơi nên nước đóng vai trò là môi trường truyền áp suất, thứ hai nó đóng
vai trò như một dung môi có thể hoà tan một phần chất phản ứng dưới áp suất cao.
Do đó phản ứng được thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự tham gia một phần của
pha lỏng hoặc pha hơi.
Thông thường áp suất pha khí ở điểm tới hạn chưa đủ để thực hiện quá trình
này. Vì vậy người ta thường chọn áp suất cao hơn áp suất hơi cân bằng của nước để
tăng hiệu quả của quá trình điều chế. Nhiệt độ, áp suất hơi nước và thời gian phản

ứng là các nhân tố quan trọng quyết định hiệu quả của phương pháp thủy nhiệt. Ngoài
ra người ta cũng có thể sử dụng các dung môi phân cực như NH3, dung dịch nước chứa
HF, các axit, bazơ khác để điều chỉnh pH hoặc các dung môi không phân cực để mở
rộng khả năng ứng dụng của phương pháp tổng hợp này. Tuy nhiên, cách làm này có
một nhược điểm là dễ làm cho nồi phản ứng bị nhiễm độc và ăn mòn. Vì vậy đối với
mỗi loại tiền chất, người ta thường đặt sẵn các thông số vật lý, hóa học trong suốt quá
trình điều chế. Điều này tương đối phức tạp do các thông số này bị ảnh hưởng lẫn nhau
và sự ảnh hưởng qua lại này vẫn chưa được giải quyết một cách thoả đáng.
Thủy nhiệt là một trong những phương pháp tốt để điều chế vật liệu nano
BiNbO4 tinh khiết. Phương pháp này có một số ưu điểm so với các phương pháp
khác như nhiệt độ tương đối thấp, không gây hại môi trường vì phản ứng được tiến
hành trong một hệ kín.Nhưng, phương pháp này cũng gặp nhiều khó khăn bởi hiệu
suất phản ứng không cao, và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện nhiệt độ, áp suất môi

15


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

trường phản ứng và kích cỡ vật liệu khoảng vài trăm nanomet đến cỡ vài
micromet.[9, 32]
d) Phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polyme
Tổng hợp đốt cháy (CS – Combusion synthesis) trở thành một trong những kỹ
thuật quan trọng trong điều chế các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng),
composit, vật liệu nano.
Trong số các phương pháp hóa học, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra tinh thể
bột nano oxit và oxit phức hợp ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có
thể đạt ngay đến sản phẩm cuối cùng mà không phải xử lý nhiệt thêm nên hạn chế

được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng lượng.
Quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa
hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các
hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử…Những
đăc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy thành một phương pháp hấp dẫn cho sản
xuất các vật liệu mới với chi phí thấp so với các phương pháp truyền thống. Một số
ưu điểm khác của phương pháp tổng hợp đốt cháy là: thiết bị công nghệ tương đối
đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt tương đối đồng đều.
Trong phương pháp đốt cháy gel polime, để ngăn ngừa sự tách pha cũng như
sự đồng nhất cao cho sản phẩm, phương pháp hóa học ướt thường sử dụng các tác
nhân tạo gel. Một số polime hữu cơ được sử dụng ngoài vai trò tác nhân tạo gel còn
là nguồn nhiên liệu như polivinyl ancol, polietylen glycol, polyacrylic axit. Trong
phương pháp này, dung dịch tiền chất gồm dung dịch các muối kim loại (thường là
muối nitrat) được trộn với polime hòa tan trong nước tạo thành hỗn hợp nhớt. Làm
bay hơi nước hoàn toàn hỗn hợp này thu được khối xốp nhẹ và đem nung ở nhiệt độ
khoảng 300ºC - 1050ºC, sản phẩm thu được là các oxit phức hợp mịn.[1]
Trong nghiên cứu này, tác nhân tạo gel được lựa chọn là poli vinyl ancol ở
dạng hạt, dung dịch muối tiền chất là muối nitrat của Bitmut và muối oxalat của
Niobium.

16


Trần Thị Phương – K26 Hóa Môi trường

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất, thiết bị
2.1.1. Hóa chất

- Dung dịch Bi(NO3)30,5M: Cân 24,74 g tinh thể Bi(NO3)3.5H2O (Merck, P
≥ 98%) hòa tan trong 100 ml nước có nhỏ vài giọt dung dịch H2SO4 96%.
- Dung dịch (NH4)3NbO(C2O4)3 0,1 M (PA): được pha sẵn tại phòng thí
nghiệm Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu.
- PVA rắn (PA).
- Các dung dịch metyl da cam, xanh metyl làm việc được pha từ các dung
dịch MO, MB chuẩn có nồng độ 1000 ppm.
- Dung dịch H2O2 30% (PA).
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị
Các dụng cụ, thiết bị được dùng trong quá trình thực nghiệm thuộc phòng
Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam. Bao gồm:
- Máy khuấy từ gia nhiệt IRE (Ý),
- Tủ sấy M400 (Đức),
- Lò nung S 4800 (Mỹ),
- Hệ thiết bị quang xúc tác Ace photochemical U.V power supplies &
mercury vapor lamps (Mỹ).
2.2. Tổng hợp vật liệu
2.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp đối cháy gelPVA
Vật liệu BiNbO4 (BNO) được tổng hợp theo quy trình sau: (sơ đồ Hình 2.1).
Cho PVA vào trong nước khuấy đều trên máy khuấy từ ở nhiệt độ 80°C đến
khi tan hết, sau đó thêm từ từ các dung dịch Bi(NO3)3 và (NH4)3NbO(C2O4)3 với tỉ
lệ mol kim loại/PVA là 1/1/3, hệ có pH = 1. Sau 2 giờ hệ gel đồng nhất màu trắng
ngả vàng giữa Bi3+, Nb5+ với PVA được hình thành. Gel được sấy trong 4 giờ ở
17