Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc vật liệu NS tio2bentonit và FeNS tio2bentonit để xử lý phẩm màu DB71 trong môi trường nước
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (510.96 KB, 65 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN THỊ HẠNH
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VẬT LIỆU NS-TiO2/BENTONIT VÀ FeNSTiO2/BENTONIT ĐỂ
XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN THỊ HẠNH
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VẬT LIỆU NS-TiO2/BENTONIT VÀ FeNSTiO2/BENTONIT ĐỂ
XỬ LÝ PHẨM MÀU DB71 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 62440120
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Văn Nội
Hà Nội – 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS. TS. Nguyễn Văn Nội.
Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nguyễn Thị Hạnh
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS. TS. Nguyễn Văn Nội đã tận
tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá
trình làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, các anh chị cán bộ trong Phòng Thí
nghiệm Hóa môi trường, khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn
thành luận án.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô, các anh chị cán bộ trong
Phòng thí nghiệm Phân tích môi trường, khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận
lợi để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban Chủ Nhiệm khoa Hóa học,
Ban Chủ Nhiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và hoàn thành bản luận án.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị em, gia đình và bạn bè
đồng nghiệp những người luôn động viên, chia sẻ cùng tôi mọi khó khăn trong suốt
quá trình học tập và thực hiện luận án.
Hà Nội, tháng năm
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Thị Hạnh
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các hình ảnh
Danh mục các bảng biểu
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN......................................................................................... 3
1. 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỢP CHẤT MÀU AZO VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ
LÝ................................................................................................................................. 3
1.1.1. Tổng quan về các hợp chất màu azo.............................................................. 3
1.1.2. Giới thiệu một số thành tựu xử lý các hợp chất màu azo............................... 7
1.2. VẬT LIỆU TiO2 VÀ TiO2 BIẾN TÍNH................................................................ 10
1.2.1. Vật liệu nano TiO2....................................................................................... 10
1.2.2. Cơ chế quang hóa của nano TiO2 trong xử lý chất ô nhiễm......................... 13
1.2.3. Vật liệu nano TiO2 biến tính........................................................................ 17
1.2.3.1. Vật liệu nano TiO2 pha tạp kim loại......................................................... 18
1.2.3.2. Vật liệu nano TiO2 pha tạp phi kim.......................................................... 19
1.2.3.3. Vật liệu nano TiO2 được biến tính bởi hỗn hợp........................................ 19
1.3. BENTONIT VÀ BENTONIT CHỐNG TiO2 BIẾN TÍNH................................... 20
1.3.1. Bentonit....................................................................................................... 20
1.3.1.1. Cấu trúc tinh thể và thành phần hoá học của montmorillonit...................21
1.3.1.2 Các tính chất của bentonit......................................................................... 22
1.3.2. Bentonit chống kim loại.............................................................................. 24
i
1.3.2.1. Vật liệu bentonit chống............................................................................ 24
1.3.2.2. Các polycation kim loại - Tác nhân chống............................................... 25
1.3.3. Vật liệu bentonit chống TiO2 cấy thêm một số nguyên tố...........................25
1.3.4. Ứng dụng vật liệu bentonit chống TiO2 trong xử lý chất màu dệt nhuộm. . .28
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM.......................................................................................................... 30
2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU............................................................................................................... 30
2.1.1. Tổng hợp vật liệu TiO2...................................................................................................... 30
2.1.2. Tổng hợp xúc tác NS-TiO2.............................................................................................. 31
2.1.3. Tổng hợp xúc tác NS-TiO2 ở các điều kiện khác nhau......................................... 31
2.1.4. Tổng hợp vật liệu FeNS-TiO2........................................................................................ 31
2.1.5. Tổng hợp xúc tác FeNS-TiO2 ở các điều kiện khác nhau.................................... 31
2.1.6. Tổng hợp vật liệu NS-TiO2/bent................................................................................... 31
2.1.7. Tổng hợp vật liệu FeNS-TiO2/bent.............................................................................. 32
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU 33
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD - X Rays Diffraction).................................. 33
2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)............................................................................... 34
2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM......................................................... 34
2.2.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM...................................................................... 35
2.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)................................................. 36
2.2.6. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis................................................................................ 37
2.2.7. Phương pháp quang điện tử tia X (XPS).................................................................... 37
2.2.8. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET - the Brunauer
– Emmett - Teller)........................................................................................................................... 38
2.2.9. Phương pháp phân tích nhiệt.......................................................................................... 39
2.2.10. Phương pháp xác định dung lượng trao đổi cation (CEC) của Bentonit.....40
2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ QUANG XÚC TÁC................................ 40
ii
2.3.1. Phương pháp trắc quang................................................................................................... 40
2.3.2. Phương pháp xác định nhu cầu oxi hóa học COD.................................................. 42
2.3.3. Xác định hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu bằng phương pháp đo TOC.....42
2.3.4. Phân tích sản phẩm phản ứng bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng
cao (HPLC)........................................................................................................................................ 43
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................................. 44
3.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NS-TiO2 VÀ FeNS-TiO2.....44
3.1.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu NS-TiO 2.......44
3.1.1.1. Ảnh hưởng của lượng N, S pha tạp vào TiO2....................................................... 44
3.1.1.2. Ảnh hưởng của thời gian già hóa gel....................................................................... 46
3.1.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung.................................................................................... 46
3.1.1.4. Ảnh hưởng của thời gian nung................................................................................... 49
3.1.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu FeNS-TiO 2. .50
3.1.2.1. Ảnh hưởng của lượng Fe, N, S pha tạp vào TiO2................................................ 50
3.1.2.2. Ảnh hưởng của thời gian già hóa gel....................................................................... 52
3.1.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung.................................................................................... 53
3.1.2.4. Ảnh hưởng của thời gian nung................................................................................... 55
3.2. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NS-TiO2/BENT và FeNS-TiO2/BENT. 56
3.2.1. Đặc trưng bentonit Ninh Thuận............................................................................................. 56
3.2.2. Ảnh hưởng của lượng bentonit đến quá trình tổng hợp vật liệu NS-TiO2/bent...58
3.2.2.1. Kết quả giản đồ nhiễu xạ tia X................................................................................... 58
3.2.2.2. Kết quả phổ UV-Vis....................................................................................................... 59
3.2.2.3. Hiệu suất phân hủy DB71 theo thời gian của các mẫu xúc tác NSTiO2/bent............................................................................................................................................. 60
3.2.3. Ảnh hưởng của lượng bentonit đến quá trình tổng hợp vật liệu FeNSTiO2/bent..................................................................................................................................................... 61
iii
3.2.3.1. Kết quả giản đồ nhiễu xạ tia X................................................................................... 61
3.2.3.2. Kết quả phổ UV-Vis....................................................................................................... 63
3.2.3.3. Hiệu suất phân hủy DB71 theo thời gian của các mẫu xúc tác FeNSTiO2/bent............................................................................................................................................. 63
3.3. SO SÁNH ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NS-TiO2, FeNS-TiO2 TRƯỚC VÀ SAU
KHI ĐƯA LÊN BENTONIT............................................................................................................... 64
3.3.1. So sánh đặc trưng vật liệu NS-TiO2 và NS-TiO2/bent................................................... 64
3.3.1.1. Kết quả phân tích phổ IR.............................................................................................. 64
3.3.1.2. Kết quả phân tích EDX................................................................................................. 66
3.3.1.3. Kết quả phân tích phổ XPS......................................................................................... 67
3.3.1.4. Cấu tạo bề mặt xúc tác qua kính hiển vi điện tử quét (SEM)......................... 73
3.3.1.5. Kết quả chụp hiển vi điện tử truyền qua TEM..................................................... 73
3.3.1.6. Kết quả phân tích đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N (BET).....................74
3.3.2. So sánh đặc trưng vật liệu FeNS-TiO2 và FeNS-TiO2/bent......................................... 75
3.3.2.1. Kết quả phân tích EDX................................................................................................. 75
3.3.2.2. Kết quả phân tích phổ XPS......................................................................................... 77
3.3.2.3. Kết quả chụp hiển vi điện tử quét SEM.................................................................. 82
3.3.2.4. Kết quả chụp hiển vi điện tử truyền qua TEM..................................................... 83
3.3.2.5. Kết quả phân tích đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N (BET).....................84
3.4. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN
HỦY DB71................................................................................................................................................. 85
3.4.1. Quang phân hủy DB71 trên xúc tác NS-TiO2 và của FeNS-TiO2............................. 85
3.4.1.1. Ảnh hưởng của nguồn chiếu sáng............................................................................. 85
3.4.1.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình quang phân hủy DB71...........86
3.4.1.3. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác đến quá trình quang phân hủy DB71 88
3.4.2. Quang phân hủy DB71 trên xúc tác NS-TiO2/bent và FeNS-TiO2/bent.................90
iv
3.4.2.1. Ảnh hưởng của nguồn chiếu sáng............................................................................. 90
3.4.2.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình quang phân hủy DB71................................ 91
3.4.2.3. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác đến quá trình quang phân hủy DB71 92
3.4.3. Khảo sát khả năng khoáng hóa hoàn toàn DB71 của vật liệu NS-TiO2/bent........95
3.4.4. Khả năng tái sử dụng xúc tác NS-TiO2/bent và FeNS-TiO2/bent............................. 97
3.4.5. Thảo luận về cơ chế hoạt động của xúc tác NS-TiO2/bent trong phản ứng
phân hủy DB71......................................................................................................................................... 98
3.4.6. Bước đầu nghiên cứu thử nghiệm xúc tác để xử lý mẫu nước thải dệt nhuộm
làng nghề Dương Nội.......................................................................................................................... 102
KẾT LUẬN............................................................................................................................................. 104
NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ...........................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 107
PHỤ LỤC................................................................................................................................................. 121
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮ T
AB
S
TIOT
TOC
BE
UV-Vis
BE
T
CB
CO
D
DS
C
DT
A
DB
71
ED
X
Ebg
HP
LC
IR
SE
M
TG
A
TE
M
Độ hấp
thụ
quang
(Absorb
ance)
Phân tích nhiệt vi sai quét (Differential
Scanning Calorimetry)
Năng
lượng
liên kết
(Bindin
g
energy)
Phẩm màu xanh trực tiếp (Direct blue
71)
Đẳng
nhiệt
hấp phụgiải hấp
phụ nitơ
(the
Brunaue
r–
Emmett
– Teller)
Vùng
dẫn
(Conduc
tion
Band)
Nhu cầu
oxi hóa
học
(Chemic
al
Oxygen
Demand
)
Phân tích nhiệt vi sai (Differential
Thermal Analysis)
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EnergyDispersive X-ray spectroscopy)
Năng lượng vùng cấm (Band gap
Energy)
Sắc ký lỏng hiệu năng cao (Highperformance liquid chromatography)
Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared
spectroscopy)
Phương pháp hiển vi điện tử quét
(Scanning Electron Microscopy)
Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermo
Gravimetric Analysis)
Hiển vi điện tử truyền qua
(Transmission Electron Microscopy)
Tetra isopropyl octo titanat
Tổng cacbon hữu cơ (Total Organic
carbon)
Tử ngoại – Khả kiến (Ultra Violet –
Visible)
vi
VB
XPS
XRD
NS-TiO2
FeNS-TiO2
NS-TiO2/bent
FeNS-TiO2/bent
SMEWW
A/R
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Cơ chế cắt liên kết azo trong tế bào [31].................................................. 5
Hình 1. 2. Công thức hóa học của phẩm màu DB71................................................. 7
Hình 1. 3. Cấu trúc tinh thể TiO2: (a) tế bào cơ sở của anata; (b) tế bào cơ sở của
rutin; (c) tế bào cơ sở của Brukit............................................................................. 11
Hình 1. 4. Hình khối bát diện của TiO2................................................................... 11
Hình 1. 5. Cơ chế tạo thành gốc hoạt động trên vật liệu bán dẫn............................14
Hình 1. 6. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn.............................15
Hình 1. 7. Cấu trúc mạng tinh thể montmorillonit.................................................. 21
Hình 1. 8. Các vị trí trao đổi cation trên hạt bentonit.............................................. 22
Hình 2. 1. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp nano TiO2.................................................................. 30
Hình 2. 2. Sơ đồ tổng hợp TiO2................................................................................................... 31
Hình 2. 3. Sơ đồ tổng hợp xúc tác NS-TiO2, FeNS-TiO2, NS-TiO2/bent và FeNSTiO2/bent............................................................................................................................................... 32
Hình 2. 4. Nguyên lý của phép phân tích EDX...................................................................... 36
Hình 2. 5. Quang phổ của đèn Compact................................................................................... 41
Hình 2. 6. Đường chuẩn xác định nồng độ DB71................................................................. 42
Hình 2. 7. Sơ đồ khối của thiết bị HPLC.................................................................................. 43
Hình 3. 1. Giản đồ XRD của các mẫu xúc tác NS-TiO2 với tỉ lệ N, S pha tạp vào
TiO2 khác nhau.................................................................................................................................... 44
Hình 3. 2. Phổ UV-Vis của các mẫu xúc tác NS-TiO2 với hàm lượng N, S pha tạp
khác nhau............................................................................................................................................... 45
viii
Hình 3. 3. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel khô NS-TiO2......................................... 47
Hình 3. 4. Giản đồ XRD của các mẫu xúc tác với tỉ lệ NS-TiO2 ở các nhiệt độ nung
khác nhau............................................................................................................................................... 47
Hình 3. 5. Phổ hấp thụ UV-Vis của xúc tác NS-TiO2(1:4) theo nhiệt độ.....................49
Hình 3. 6. Giản đổ XRD của các mẫu xúc tác FeNS-TiO2 với tỉ lệ pha tạp khác nhau 50
Hình 3. 7. Phổ UV-Vis của các mẫu xúc tác FeNS-TiO2 với hàm lượng Fe, N, S
pha tạp khác nhau............................................................................................................................... 51
Hình 3. 8. Giản đồ XRD của các mẫu xúc tác FeNS-TiO2 với nhiệt độ nung khác nhau
53
Hình 3. 9. Phổ UV-Vis của các mẫu xúc tác FeNS-TiO2 ở các nhiệt độ nung khác nhau
54
Hình 3. 10. Giản đồ XRD của bentonit..................................................................................... 57
0
Hình 3. 11. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77 K của Bent (a) và sự
phân bố đường kính mao quản của Bent (b)............................................................................ 57
Hình 3. 12. Giản đồ XRD của các mẫu NS-TiO2/bent theo các tỷ lệ bentonit khác nhau
58
Hình 3. 13. Giản đồ XRD góc nhỏ của mẫu NS-TiO2/bent 1 (a) và mẫu Bent khi
0
nung ở 450 C....................................................................................................................................... 59
Hình 3. 14. Phổ hấp thụ UV-Vis của xúc tác NS-TiO2/bent theo các tỷ lệ bentonit
khác nhau............................................................................................................................................... 60
Hình 3. 15. Đồ thị sự phân hủy DB71 trên các mẫu xúc tác với lượng bentonit khác nhau
61
Hình 3. 16. Giản đồ XRD của các mẫu FeNS-TiO2/bent theo các tỷ lệ bentonit khác
nhau......................................................................................................................................................... 61
ix
Hình 3. 17. Giản đồ XRD góc nhỏ của mẫu FeNS-TiO2/bent 1...................................... 62
Hình 3. 18. Phổ hấp thụ UV-Vis của xúc tác FeNS-TiO2/bent theo các tỷ lệ bentonit
khác nhau............................................................................................................................................... 63
Hình 3. 19. Đồ thị sự phân hủy DB71 trên các mẫu xúc tác FeNS-TiO2/bent với
lượng bentonit khác nhau................................................................................................................ 64
Hình 3. 20. Phổ IR của mẫu vật liệu NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b).......................65
Hình 3. 21. Phổ EDX của NS-TiO2............................................................................................ 66
Hình 3. 22. Phổ EDX mẫu NS-TiO2/bent................................................................................ 67
Hình 3. 23. Giản đồ XPS của xúc tác NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b)..................... 68
Hình 3. 24. Giản đồ XPS của Ti 2p trong mẫu xúc tác NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b)
69
Hình 3. 25. Giản đồ XPS của O 1s trong mẫu xúc tác NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b)
70
Hình 3. 26. Giản đồ XPS của N 1s trong mẫu xúc tác NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b)
70
Hình 3. 27. Giản đồ XPS của S 2p trong mẫu xúc tác NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b)
72
Hình 3. 28. Giản đồ XPS của C 1s trong mẫu xúc tác NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b)
72
Hình 3. 29. Ảnh SEM của mẫu NS-TiO2 (a) và của mẫu NS-TiO2/bent (b)...............73
Hình 3. 30. Ảnh TEM của vật liệu NS-TiO2 (a) và NS-TiO2/bent (b).......................... 74
Hình 3. 31. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (a) và đường phân bố kích
thước lỗ của mẫu NS-TiO2/bent (b)............................................................................................ 75
x
Hình 3. 32. Phổ EDX của mẫu FeNS-TiO2............................................................................. 76
Hình 3. 33. Phổ EDX của mẫu FeNS-TiO2/bent................................................................... 76
Hình 3. 34. Giản đồ XPS của xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNS-TiO2/bent (b)...........77
Hình 3. 35. Giản đồ XPS của Ti 2p trong mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNSTiO2/bent (b)........................................................................................................................................ 78
Hình 3. 36. Giản đồ XPS của O 1s trong mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNSTiO2/bent (b)........................................................................................................................................ 79
Hình 3. 37. Giản đồ XPS của N 1s trong mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNSTiO2/bent (b)........................................................................................................................................ 80
Hình 3. 38. Giản đồ XPS của S 2p trong mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNSTiO2/bent (b)........................................................................................................................................ 81
Hình 3. 39. Giản đồ XPS của Fe 2p trong mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNSTiO2/bent (b)........................................................................................................................................ 81
Hình 3. 40. Giản đồ XPS của C 1s trong mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a) và FeNSTiO2/bent (b)........................................................................................................................................ 82
Hình 3. 41. Ảnh SEM của mẫu FeNS-TiO2 (a) và mẫu FeNS-TiO2/bent (b).............83
Hình 3. 42. Ảnh TEM của mẫu xúc tác FeNS-TiO2 (a; b) và FeNS-TiO2/bent (c; d)
83
Hình 3. 43. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (a) và đường phân bố kích
thước lỗ của mẫu FeNS-TiO2/bent (b)....................................................................................... 84
Hình 3. 44. Đồ thị sự phân hủy DB71 trên xúc tác NS-TiO2 (a) và của FeNS-TiO2
(b) ở điều kiện nguồn chiếu sáng khác nhau............................................................................ 86
Hình 3. 45. Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy DB71 của vật liệu NS-TiO2 và
FeNS-TiO2 vào pH dung dịch....................................................................................................... 87
xi
Hình 3. 46. Đồ thị sự phân hủy DB71 ở điều kiện lượng xúc tác NS-TiO2 (a) và
FeNS-TiO2 (b) khác nhau................................................................................................................ 89
Hình 3. 47. Đồ thị sự phân hủy DB71 trên xúc tác NS-TiO2/bent (a) và FeNSTiO2/bent (b) ở điều kiện nguồn chiếu sáng khác nhau....................................................... 90
Hình 3. 48. Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy DB71 của vật liệu NSTiO2/bent vào pH dung dịch........................................................................................................... 92
Hình 3. 49. Đồ thị ảnh hưởng của lượng chất xúc tác NS-TiO2/bent đến hiệu suất
quang phân hủy DB71...................................................................................................................... 93
Hình 3. 50. Đồ thị ảnh hưởng của lượng chất xúc tác FeNS-TiO2/bent đến hiệu suất
quang phân hủy DB71...................................................................................................................... 94
Hình 3. 51. Phổ UV-Vis của DB 71 và sản phẩm phân hủy theo thời gian.................96
Hình 3. 52. Sắc đồ HPLC của dung dịch DB71 trước khi xử lý (a); sau khi xử lý 1,5
giờ (b); 3 giờ (c).................................................................................................................................. 97
Hình 3. 53. Hoạt tính xúc tác NS-TiO2/bent và FeNS-TiO2/bent sau 5 lần sử dụng
98
Hình 3. 54. Quá trình hình thành NS-TiO2/bent.................................................................... 99
Hình 3. 55. Quá trình hấp phụ và xúc tác phân hủy DB71 của vật liệu NS-TiO2/bent
99
Hình 3. 56. Cơ chế đề xuất cho sự phân hủy quang của DB71 trong sự có mặt của
NS-TiO2 dưới bức xạ khả kiến.................................................................................................... 100
Hình 3. 57. Cơ chế hoạt động của TiO2 và TiO2 nano pha tạp N.................................. 101
Hình 3. 58. Cơ chế hoạt động của TiO2 nano pha tạp S................................................... 101
xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. So sánh thế oxi hóa của các gốc tự do và các chất oxi hoá phổ biến.....13
Bảng 3. 1. Ảnh hưởng của lượng N, S pha tạp đến bước sóng hấp thụ, năng lượng
0
vùng cấm và hiệu suất phân hủy DB71 (Nhiệt độ nung xúc tác 450 C, Co = 25 mg/l,
lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút, chiếu sáng đèn compact 36W)..........................45
Bảng 3. 2. Ảnh hưởng của thời gian già hóa gel vật liệu NS-TiO2 đến hiệu suất
phân hủy DB71 (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút, chiếu sáng đèn
compact 36W)..................................................................................................................................... 46
Bảng 3. 3. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R theo nhiệt độ nung mẫu..................48
Bảng 3. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến bước sóng hấp thụ, năng lượng vùng
cấm và hiệu suất phân hủy DB71 (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l;
t = 150
phút, chiếu sáng đèn compact 36W)........................................................................................... 48
Bảng 3. 5. Ảnh hưởng của thời gian nung vật liệu NS-TiO2 đến hiệu suất phân hủy
DB71 (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút, chiếu sáng đèn compact 36W)
49
Bảng 3. 6. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R theo tỷ lệ số mol S:Ti...................... 51
Bảng 3. 7. Ảnh hưởng của lượng Fe, N và S pha tạp đến bước sóng hấp thụ, năng
0
lượng vùng cấm và hiệu suất phân hủy DB71 (nhiệt độ nung xúc tác 450 C, Co = 25
mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút, chiếu sáng đèn compact 36W)................52
Bảng 3. 8. Ảnh hưởng của thời gian già hóa gel vật liệu FeNS-TiO2 đến hiệu suất
phân hủy DB71 (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút, chiếu sáng đèn
compact 36W)..................................................................................................................................... 52
Bảng 3. 9. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R theo nhiệt độ nung khác nhau......53
Bảng 3. 10. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến bước sóng hấp thụ, năng lượng vùng
cấm của TiO2 và hiệu suất phân hủy DB71 (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t
= 150 phút, chiếu sáng đèn compact 36W).............................................................................. 54
xiii
Bảng 3. 11. Ảnh hưởng của thời gian nung vật liệu FeNS-TiO2 đến hiệu suất phân hủy
DB71 (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút, chiếu sáng đèn compact 36W)
55
Bảng 3. 12. Thành phần khoáng học của mẫu bentonit Ninh Thuận............................. 56
Bảng 3. 13. Thành phần hoá học của mẫu bentonit Ninh Thuận..................................... 56
Bảng 3. 14. Kích thước hạt và tỷ lệ pha A/R theo tỷ lệ bentonit..................................... 59
Bảng 3. 15. Hiệu xuất chuyển hóa phẩm màu của vật liệu với tỷ lệ bentonit tương ứng
0.5; 1; 1.5 gam (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l, chiếu sáng đèn compact 36W) 60
Bảng 3. 16. Kích thước hạt và tỷ lệ pha A/R theo tỷ lệ bentonit..................................... 62
Bảng 3. 17. Hiệu xuất chuyển hóa phẩm màu của vật liệu FeNS-TiO2/xbent (Co =
25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l, chiếu sáng đèn compact 36W)..................................... 63
Bảng 3. 18. Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu NS-TiO2......................... 66
Bảng 3. 19. Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu NS-TiO2/bent...............67
Bảng 3. 20. Năng lượng liên kết, % khối lượng của các nguyên tố trong xúc tác NS-TiO2
68
Bảng 3. 21. Năng lượng liên kết, % khối lượng của các nguyên tố trong xúc tác NSTiO2/bent............................................................................................................................................... 68
Bảng 3. 22. Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu FeNS-TiO2....................76
Bảng 3. 23. Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu FeNS-TiO2/bent..........77
Bảng 3. 24. Năng lượng liên kết, % khối lượng của các nguyên tố trong xúc tác
FeNS-TiO2............................................................................................................................................ 77
Bảng 3. 25. Năng lượng liên kết, % khối lượng của các nguyên tố trong xúc tác
FeNS-TiO2/bent.................................................................................................................................. 78
xiv
Bảng 3. 26. Hiệu suất phân hủy DB71 của xúc tác NS-TiO 2 và FeNS-TiO2 ở điều kiện
nguồn chiếu sáng khác nhau (Co = 25 mg/l, lượng xúc tác = 0,5 g/l; t = 150 phút)
................................................................................................................................... 85
Bảng 3. 27. Sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy DB71 của xúc tác NS-TiO2 và FeNSTiO2 vào pH dung dịch (Co = 25 mg/l; lượng xúc tác 0,5 g/l; t = 150 phút; chiếu
sáng đèn compact 36W) ............................................................................................
Bảng 3. 28. Sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy DB71 vào hàm lượng xúc tác NS-TiO 2 và
FeNS-TiO2 (Co = 25 mg/l, t = 150 phút, chiếu sáng đèn compact 36W) .... 88
Bảng 3. 29. Hiệu suất phân hủy DB71 của xúc tác NS-TiO2/bent và FeNS-TiO2/bent
ở điều kiện nguồn chiếu sáng khác nhau (Co = 25 mg/l; t = 150 phút;
lượng xúc tác 0,5 g/l) ................................................................................................
Bảng 3. 30. Sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy DB71 của xúc tác NS-TiO 2/bent và
FeNS-TiO2/bent vào pH dung dịch (Co = 25 mg/l; t = 150 phút; lượng xúc tác sử
dụng 0,5 g/l; chiếu sáng đèn compact 36W) .............................................................
Bảng 3. 31. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác NS-TiO2/bent đến hiệu suất quang
phân hủy DB71. (Co = 25 mg/l; t = 150 phút; chiếu sáng đèn compact 36W) .........
Bảng 3. 32. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác FeNS-TiO2/bent đến hiệu suất quang
phân hủy DB71. (Co = 25 mg/l; t = 150 phút; chiếu sáng đèn compact 36W) .........
Bảng 3. 33. Giá trị TOC của dung dịch DB71 (25 mg/l) chuyển hóa theo thời gian
dưới sự quang xúc tác NS-TiO2/bent ........................................................................
Bảng 3. 34. Hiệu suất quang phân hủy DB71 của hệ xúc tác NS-TiO2/bent và
FeNS-TiO2/bent qua 5 lần sử dụng. ..........................................................................
Bảng 3. 35. Kết quả sự chuyển hóa COD, TOC của mẫu nước thải dệt nhuộm làng
nghề Dương Nội trên quang xúc tác NS-TiO2/bent và FeNS-TiO2/bent. ...............
Bảng 3. 36. So sánh khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm làng nghề Dương Nội của
xúc tác NS-TiO2/bent và FeNS-TiO2/bent với một số hệ xúc tác TiO2 biến tính khác
[1, 5, 10]..........................................
xv
MỞ ĐẦU
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn đề nóng bỏng mang
tính toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự tồn tại và phát triển của con người và các
sinh vật trên trái đất. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và các nền kinh
tế đã gây ra hiện tượng môi trường ở nhiều nơi bị ô nhiễm trầm trọng. Trong số các
chất độc hại thải ra môi trường, đáng chú ý là những chất hữu cơ độc hại bền vững,
trong đó có thuốc nhuộm sử dụng cho ngành dệt nhuộm. Đây là nhóm các chất
tương đối bền vững, khó bị phân hủy sinh học, lan truyền và tồn lưu một thời gian
dài trong môi trường. Hơn nữa, các chất này có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh
vật và gây nhiễm độc cấp tính, mãn tính cho con người. Khi xâm nhập vào cơ thể,
các hợp chất thuốc nhuộm gây ra nhiều tổn thương cho các cơ quan như hệ thần
kinh, hệ thống tim mạch, gây ung thư và đột biến gen… Do vậy, việc nghiên cứu xử
lý triệt để các hợp chất thuốc nhuộm trong nước bị ô nhiễm luôn là mối quan tâm
hàng đầu của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa quan trọng đối với cuộc sống hiện
tại và tương lai của loài người.
Phương pháp oxy hóa tăng cường sử dụng xúc tác TiO2 được quan tâm nghiên
cứu để nâng cao tính năng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý các hợp chất hữu cơ ô
nhiễm. Đây là một trong những phương pháp oxy hóa tiên tiến có khả năng oxy hóa
mạnh, xử lý được những chất hữu cơ bền, có thể đạt đến mức vô cơ hóa hoàn toàn
không sinh ra bùn và bã thải, xúc tác có thể tái sử dụng được nhiều lần, chi phí thấp,
thực hiện được ở điều kiện áp suất bình thường và không độc hại. Tuy nhiên, TiO 2
dạng anata có mức năng lượng vùng dẫn khoảng 3,2 eV nên chỉ thể hiện hoạt tính
xúc tác dưới tác dụng của bức xạ UV. Vì vậy, hoạt tính xúc tác của TiO 2 dưới bức
xạ mặt trời bị hạn chế (bức xạ mặt trời chỉ có 3 – 5% bức xạ UV).
Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện hoạt tính xúc tác của
TiO2 trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Những nghiên cứu này tập trung vào việc pha
tạp các nguyên tố kim loại và/hoặc phi kim như: Fe, Cr, Ni, Ag, Cu, N, S, C, … vào
TiO2 nhằm giảm sự tái kết hợp của cặp electron quang sinh và lỗ trống, đồng thời
gia tăng hoạt tính xúc tác trong vùng khả kiến. Các chất xúc tác TiO 2 biến tính này
đã được nghiên cứu ứng dụng làm xúc tác cho quá trình quang phân hủy các loại
phẩm màu. Trên thế giới, số lượng công trình công bố về vật liệu TiO2 biến
1
tính ngày càng tăng đã cho thấy tầm quan trọng của vật liệu này. Ở Việt Nam, số
lượng công trình công bố về vật liệu TiO2 biến tính, đặc biệt là nghiên cứu biến tính
TiO2 đồng thời bằng kim loại và phi kim, đang còn ít và chưa toàn diện. Việc biến
tính TiO2 đồng thời bởi N và S hay bởi Fe, N và S chưa được nghiên cứu, đặc biệt
trong xử lý nước bị ô nhiễm bởi phẩm màu Direct Blue 71 (DB71).
Với mong muốn tạo ra được vật liệu có hoạt tính xúc tác cao trong quá trình
quang phân hủy phẩm màu DB71, trong luận án này, chúng tôi đã tiến hành nghiên
cứu đưa TiO2 biến tính lên bentonit (một loại vật liệu sẵn có và rẻ tiền ở Việt Nam)
dưới dạng bentonit chống, nhằm tạo ra một vật liệu vừa có khả năng quang xúc tác
cao của TiO2 biến tính vừa kết hợp được khả năng hấp phụ tốt của bentonit, nhằm
tăng khả năng tiếp xúc giữa phân tử chất hữu cơ với tâm xúc tác, giúp quá trình xúc
tác xảy ra thuận lợi hơn, đồng thời khắc phục được nhược điểm khó thu hồi vật liệu
của xúc tác quang nano TiO2.
Từ thực tế trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp,
đặc trưng cấu trúc vật liệu NS-TiO2/Bentonit và FeNS-TiO2/Bentonit để xử lý
phẩm màu DB71 trong môi trường nước".
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1. 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỢP CHẤT MÀU AZO VÀ PHƯƠNG PHÁP
XỬ LÝ
1.1.1. Tổng quan về các hợp chất màu azo
Hợp chất màu azo là những hợp chất màu tổng hợp có chứa nhóm azo –
N=N–. Hầu hết các loại hợp chất màu azo chỉ chứa một nhóm azo (gọi là monoazo),
một số ít chứa hai nhóm hoặc nhiều hơn. Hợp chất azo thường có chứa một vòng
thơm liên kết với nhóm azo và nối với một naphtalen hay vòng benzen thứ hai. Sự
khác nhau giữa các hợp chất azo chủ yếu ở vòng thơm, các nhóm quanh liên kết azo
giúp ổn định nhóm –N=N– bởi chính những nhóm này tạo nên một hệ thống chuyển
động, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới màu sắc của hợp chất azo [11, 14, 15].
Hợp chất màu azo bền hơn tất cả các phẩm màu tự nhiên. Đặc biệt, phẩm
màu azo bền trong phạm vi pH khá rộng, bền với nhiệt khi phơi dưới ánh sáng và
oxy, rất khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật. Chính vì vậy, các hợp chất màu azo
được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, cao su, nhựa, da,
mỹ phẩm, dược phẩm và đặc biệt là công nghiệp dệt nhuộm. Thông thường trong
quá trình nhuộm, các phẩm màu không bám dính hết vào sợi vải, nên sau công đoạn
nhuộm, trong nước thải thường tồn dư một lượng nhất định, thậm chí lên tới 50%
tổng lượng phẩm màu được sử dụng ban đầu. Đây là thành phần rất khó xử lý, đặc
biệt là phẩm màu họ azo, chiếm tới 60 - 70% thị phần, đang được sử dụng phổ biến
nhất hiện nay [15, 22, 146].
Các loại phẩm nhuộm tổng hợp có chứa các nhóm mang màu azo đã có từ
lâu đời và ngày càng được sử dụng phổ biến do có đặc điểm là dễ sử dụng, giá thành
rẻ, ổn định và đa dạng về màu sắc so với màu sắc tự nhiên [36, 49]. Tuy nhiên, việc
sử dụng rộng rãi thuốc nhuộm và các sản phẩm của chúng gây ra ô nhiễm nguồn
nước ảnh hưởng tới sức khỏe của con người và môi trường sinh thái. Hàng năm, có
khoảng 280.000 tấn phẩm nhuộm được thải ra trên toàn thế giới [70, 104]. Phẩm
nhuộm azo chiếm khoảng 70% lượng phẩm nhuộm được sử dụng [120], và là nhóm
phổ biến nhất của chất màu tổng hợp thải vào môi trường [37, 104, 142]. Chỉ cần
một lượng rất nhỏ phẩm nhuộm trong nước (ít hơn 1 ppm) đã có thể gây ra một sự
thay đổi màu dễ nhận thấy [21]. Thêm vào đó, nước thải này còn gây
3
ra một số tác động độc hại như ung thư, đột biến gen cho con người [6, 7, 25, 29,
86, 87, 111]. Nước thải dệt nhuộm cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái
thủy sinh, giảm việc hấp thu ánh sáng và không khí trong hồ [21, 87, 103].
Phẩm nhuộm azo có thể bị phân hủy thành các amin, và thường là các amin
có chứa vòng benzen hay naphtalen. Đây là các hợp chất có khả năng gây ung thư.
Tác động lên thực vật
Thành phần thuốc nhuộm hòa tan trong nước thải công nghiệp dệt nhuộm
làm thay đổi tình trạng hóa học và sinh học của đất và nước, có thể ảnh hưởng đến
tăng trưởng và năng suất của cây trồng. Một số thuốc nhuộm được sử dụng trong
ngành công nghiệp nhuộm thậm chí còn làm giảm tỷ lệ hạt nảy mầm và phát triển
của cây trồng [94]. Nồng độ cao của nước thải chưa qua xử lý, ức chế sự phát triển
của chồi và rễ cây… Nồng độ cao của chất rắn trong nước thải làm giảm mức độ
oxy hòa tan, dẫn đến hạn chế sự tăng trưởng và phát triển của cây giống. Sự ức chế
nảy mầm có thể là do các chất rắn hòa tan cao trong nước thải ảnh hưởng tới các
mối quan hệ thẩm thấu của hạt giống [107]. Ngoài ra trong quá trình vận chuyển,
thuốc nhuộm còn sa lắng hay hấp phụ lên bùn, trầm tích. Đất nông nghiệp sử dụng
bùn này có thể làm gia tăng lượng thuốc nhuộm thâm nhập vào đất / nước ngầm, do
đó ảnh hưởng đến tăng trưởng của cây trồng [102].
Tác động trên các loài động vật thủy sinh
Khi đi vào nguồn nước tự nhiên như sông, hồ… với một lượng rất nhỏ của
thuốc nhuộm đã làm thay đổi màu sắc và chất lượng của nguồn nước và được chứng
minh là gây hại cho sinh vật dưới nước [41]. 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 của vi sinh đối với các chất hữu
cơ trong nước thải. Đối với cá và các loài thủy sinh, các kết quả thử nghiệm trên cá
của hơn 3.000 loại thuốc nhuộm nằm trong tất cả các nhóm từ không độc, độc vừa,
rất độc đến cực độc cho thấy có khoảng 37% loại thuốc nhuộm gây độc cho cá và
thủy sinh, khoảng 2% thuộc loại rất độc và cực độc [6]. Tích tụ sinh học của thuốc
nhuộm phụ thuộc vào các đặc tính hóa lý và sự tích lũy lâu dài của chúng trong
nước, thực phẩm. Hàm lượng protein của thịt, gan, mang và ruột giảm với việc tăng
nồng độ thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm [16].
4
Tác động đối với con người
Đối với con người, thuốc nhuộm có thể gây ra các bệnh về da, đường hô hấp,
đường tiêu hóa. Ngoài ra, một số thuốc nhuộm hoặc chất chuyển hóa của chúng rất
độc hại, có thể gây ung thư (như thuốc nhuộm Benzidin, 4-amino-azo-benzen). Các
nhà sản xuất Châu Âu đã cho ngừng sản xuất các loại thuốc nhuộm này nhưng trên
thực tế chúng vẫn được tìm thấy trên thị trường, do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm
màu cao [61].
Tác động của thuốc nhuộm azo và các sản phẩm phân hủy của chúng trên
sức khỏe con người đã gây ra lo ngại trong nhiều năm, mặc dù đã có pháp luật kiểm
soát việc sử dụng ở một số nước. Các hợp chất màu azo độc hại từ nước thải dệt
nhuộm đi vào sinh vật dưới nước, đi qua chuỗi thức ăn và cuối cùng đến con người
và gây ra các rối loạn sinh lý khác nhau như cao huyết áp, sốt thường xuyên, tổn
thương thận, chuột rút, vv… Một số thuốc nhuộm azo có thể gây ung thư bàng
quang ở người, biến đổi nhiễm sắc thể trong tế bào động vật có vú, gây đột biến,
gây ung thư và gây quái thai. Tác nhân gây ung thư, gây đột biến và gây quái thai
có thể là chính phẩm nhuộm hoặc chất được chuyển hóa từ phẩm nhuộm nhờ quá
trình trao đổi chất. Các chất này có khả năng tương tác với ADN, gây tổn hại nó.
Đối với các phẩm nhuộm hòa tan được trong nước, các sản phẩm chuyển hóa của
chúng đều là tác nhân gây ung thư [30, 62].
Hình 1. 1. Cơ chế cắt liên kết azo trong tế bào [31]
5
