Đồ án tốt nghiệp Công nghệ Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ làm xúc tác khử 4-Nitrophenol

• Tác giả: Hồ Thị Như Quỳnh
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Vinh Tiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Điều chế và khảo sát tính chất của vật liệu Ca₃Co₂₋ₓFeₓO₆ (x=0, x=0.3) làm xúc tác cho phản ứng khử 4-Nitrophenol bằng NaBH₄
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu Ca3Co2-xFexO6
• 1.1.1. Giới thiệu vật liệu
• 1.1.2. Giới thiệu 4-Nitrophenol
• 1.1.3. Ứng dụng 4 - Nitrophenol
• 1.1.4. Thực trạng của nước thải công nghiệp
• 1.1.5. Đặc trưng của nước thải ngành công nghiệp
• 1.1.6. Các phương pháp xử lý nước thải ngành công nghiệp
• 1.1.7. Tổng quan về hydro hoá xúc tác với NaBH4
• 1.1.8. Cơ chế và ứng dụng
• 1.2. Các phương pháp tổng hợp
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Quy trình tổng hợp vật liệu Ca₃Co₂₋ₓFeₓO₆
• 2.4. Quy trình khảo sát hoạt tính xúc tác của Ca₃Co₂₋ₓFeₓO₆
• 2.5. Quy trình tái sử dụng hoạt tính xúc tác của Ca3Co2-xFexO6
• 2.6. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu
• 2.6.1. Quang phổ hấp thu tử ngoại khả kiến
• 2.6.2. Nhiễu xạ tia X
• 2.6.3. Kính hiển vi điện tử quét
• 2.6.4. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
• 3. CHƯƠNG 3: BÀN LUẬN KẾT QUẢ
• 3.1. Đặc trưng của vật liệu
• 3.1.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
• 3.1.2. Hình thái học vật liệu
• 3.2. Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu Ca3Co2-xFexO6
• 3.2.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu Ca3Co2-xFexO6
• 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 3.3. Khả năng tái sử dụng của vật liệu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc điều chế và khảo sát vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ làm xúc tác khử 4-Nitrophenol bằng NaBH₄. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một quy trình tổng hợp vật liệu hiệu quả và đánh giá khả năng xúc tác của nó trong phản ứng khử 4-Nitrophenol, một chất ô nhiễm hữu cơ phổ biến. Vật liệu xúc tác được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, một kỹ thuật đơn giản và dễ thực hiện, sau đó được phân tích bằng các phương pháp hiện đại như XRD, SEM, FT-IR, và UV-Vis để xác định cấu trúc, hình thái, và hoạt tính xúc tác.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án tốt nghiệp là tổng hợp thành công vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ và đánh giá hiệu quả xúc tác của nó trong phản ứng khử 4-Nitrophenol bằng NaBH₄. Nghiên cứu cũng nhằm tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, bao gồm tỷ lệ thay thế Fe, cấu trúc bề mặt, và các yếu tố ảnh hưởng khác, để cải thiện hiệu suất xúc tác của vật liệu.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm điều chế vật liệu bằng phương pháp sol-gel, sau đó sử dụng các kỹ thuật phân tích như XRD, SEM, FT-IR, và UV-Vis để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Hoạt tính xúc tác được đánh giá thông qua phản ứng khử 4-Nitrophenol bằng NaBH₄, với các yếu tố ảnh hưởng như pH và tỷ lệ thay thế Fe được nghiên cứu kỹ lưỡng.

II. Điều chế vật liệu

Điều chế vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ được thực hiện bằng phương pháp sol-gel, một kỹ thuật phổ biến trong hóa học vật liệu. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc và hình thái của vật liệu ở cấp độ phân tử. Các tiền chất như Ca(NO₃)₂·4H₂O, Co(NO₃)₂·6H₂O, và Fe(NO₃)₃·9H₂O được sử dụng để tạo ra sol, sau đó được sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để thu được vật liệu cuối cùng.

2.1. Quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp bao gồm các bước: hòa tan các tiền chất trong dung môi, khuấy đều để tạo sol, sấy khô để thu được xerogel, và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆. Phương pháp này đảm bảo độ đồng nhất và tinh khiết cao của vật liệu.

2.2. Phân tích cấu trúc

Vật liệu tổng hợp được phân tích bằng các phương pháp như XRD để xác định cấu trúc tinh thể, SEM để quan sát hình thái bề mặt, và FT-IR để xác định các nhóm chức. Các kết quả phân tích cho thấy vật liệu có cấu trúc đồng nhất và kích thước hạt nhỏ, phù hợp cho ứng dụng xúc tác.

III. Khảo sát vật liệu

Khảo sát vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ bao gồm việc đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu trong phản ứng khử 4-Nitrophenol bằng NaBH₄. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác, như tỷ lệ thay thế Fe, pH, và điều kiện phản ứng, được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy vật liệu có hiệu suất xúc tác cao và khả năng tái sử dụng tốt.

3.1. Hoạt tính xúc tác

Hoạt tính xúc tác của Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ được đánh giá thông qua phản ứng khử 4-Nitrophenol bằng NaBH₄. Kết quả cho thấy vật liệu có hiệu suất xúc tác cao, với tốc độ phản ứng tăng lên khi tăng tỷ lệ thay thế Fe. Phương pháp UV-Vis được sử dụng để theo dõi sự thay đổi nồng độ của 4-Nitrophenol trong quá trình phản ứng.

3.2. Ảnh hưởng của pH

Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy pH có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phản ứng, với pH tối ưu được xác định là khoảng 7-8. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng của vật liệu trong các điều kiện môi trường khác nhau.

IV. Ứng dụng xúc tác

Vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ được nghiên cứu với mục tiêu ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy như 4-Nitrophenol. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có tiềm năng lớn trong việc phát triển các giải pháp xử lý môi trường hiệu quả và bền vững.

4.1. Xử lý ô nhiễm

Vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ có khả năng phân hủy hiệu quả 4-Nitrophenol, một chất ô nhiễm hữu cơ phổ biến trong nước thải công nghiệp. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có thể được sử dụng để xử lý nước thải chứa các chất ô nhiễm khó phân hủy, góp phần bảo vệ môi trường.

4.2. Tiềm năng ứng dụng

Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng các vật liệu xúc tác tiên tiến cho các giải pháp xử lý môi trường. Vật liệu Ca₃Co₂ₓFeₓO₆ có thể được phát triển thành các sản phẩm thương mại, ứng dụng trong các ngành công nghiệp và xử lý nước thải.