Nghiên Cứu Tính Chất Quang Xúc Tác Vật Liệu Nano BiTaO4 Để Phân Hủy Phenol Trong Nước

• Tác giả: Nguyễn Thị Hương Thúy
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Ngọc Nhiệm
• Trường học: Trường Đại Học Tài Nguyên Và Môi Trường Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Quang Xúc Tác Vật Liệu Nano BiTaO4 Trong Phân Hủy Phenol
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu về quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 ứng dụng để xử lý phenol
• 1.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác vật liệu nano BiTaO4 ở trong nước
• 1.4. Tổng quan về vật liệu quang xúc tác nano BiTaO4
• 1.4.1. Tổng quan về nguyên lí hệ quang xúc tác
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất, thiết bị sử dụng
• 2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất
• 2.2.2. Thiết bị sử dụng
• 2.3. Tổng hợp chế tạo vật liệu nano BiTaO4
• 2.3.1. Quy trình sơ đồ tổng hợp vật liệu BiTaO4 bằng phương pháp đốt cháy gel
• 2.3.2. Khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái và kích thước vật liệu
• 2.4.1. Phương pháp nhiệt trọng lượng – vi sai nhiệt lượng (TG-DTA)
• 2.4.2. Phương pháp phân tích Phổ hồng ngoại IR
• 2.4.3. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu (kính hiển vi điện tử quét SEM-TEM)
• 2.4.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4.5. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (phương pháp đo BET)
• 2.4.6. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu
• 2.4.7. Thiết bị phản ứng quang hóa (Photochemical)
• 2.4.8. Phương pháp phổ UV-VIS
• 2.5. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác của vật liệu nano BiTaO4
• 2.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình quang xúc tác xử lý phenol
• 2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu tới khả năng quang xúc tác của vật liệu
• 2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng quang xúc tác của vật liệu
• 2.5.4. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 2.6. Hiệu suất quá trình xúc tác quang của vật liệu để xử lý phenol trong môi trường nước
• 2.6.1. Xác định nồng độ phenol trong nước theo SMEWW 5530:C:2012
• 2.6.2. Chuẩn bị dung dịch và phương pháp xác định nồng độ các chất hữu cơ
• 2.6.3. Xác định nồng độ phenol trong nước dựa vào phương pháp SMEWW 5530:C:2012
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng các điều kiện tổng hợp đến tính chất của vật liệu xúc tác quang nano BiTaO4
• 3.1.1. Ảnh hưởng của chất tạo gel đến sự hình thành pha của vật liệu
• 3.1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến sự hình thành pha của vật liệu BiTaO4
• 3.2. Kết quả phân tích, đặc trưng tính chất của vật liệu
• 3.2.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại IR
• 3.2.2. Phổ EDX của vật liệu sau khi nung
• 3.2.3. Giản đồ XRD của vật liệu được nung ở nhiệt độ 750oC trong 2 giờ
• 3.2.4. Hình ảnh TEM của vật liệu BiTaO4 được nung ở điều kiện tối ưu 750oC
• 3.2.5. Phổ UV - VIS rắn của mẫu vật liệu nung BiTaO4 750oC
• 3.2.6. Điểm đẳng điện của vật liệu BiTaO4 được chế tạo ở điều kiện tối ưu 750oC
• 3.3. Kết quả khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy phenol của vật liệu BiTaO4
• 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình quang xúc tác phân hủy phenol
• 3.3.2. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến quá trình quang xúc tác phân hủy phenol của vật liệu BiTaO4
• 3.3.3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng quang xúc tác phân hủy phenol của vật liệu
• 3.3.4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu với quá trình quang xúc tác xử lý phenol
• 3.3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu BTO750 trong điều kiện không chiếu sáng
• 3.4. Điều kiện công nghệ thích hợp tổng hợp vật liệu quang xúc tác nano BiTaO4
• 3.5. Kết quả thử nghiệm đối với mẫu môi trường thực tế
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Vật Liệu Quang Xúc Tác Nano BiTaO4 Giới Thiệu

Bài viết này tập trung vào vật liệu nano BiTaO4 và khả năng quang xúc tác của nó trong việc phân hủy phenol. Phenol là một chất ô nhiễm nguy hiểm thường thấy trong nước thải công nghiệp. Việc loại bỏ phenol hiệu quả là một thách thức lớn. Vật liệu quang xúc tác như BiTaO4 đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các đặc tính, phương pháp điều chế và ứng dụng của BiTaO4 trong xử lý ô nhiễm phenol. Theo một nghiên cứu gần đây, BiTaO4 thể hiện tiềm năng lớn hơn so với các vật liệu truyền thống như TiO2 và ZnO trong một số điều kiện nhất định. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về BiTaO4 và vai trò của nó trong việc bảo vệ môi trường.

1.1. Ô Nhiễm Phenol Vấn Đề Nhức Nhối Cần Giải Quyết

Ô nhiễm phenol là một vấn đề môi trường nghiêm trọng do độc tính cao và khả năng gây hại cho sức khỏe con người. Phenol có thể xâm nhập vào nguồn nước từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn phenol. Do đó, việc phát triển các phương pháp xử lý mới, hiệu quả và thân thiện với môi trường là vô cùng cần thiết. Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs), đặc biệt là quang xúc tác, đang thu hút sự chú ý lớn vì khả năng phân hủy hoàn toàn phenol thành các sản phẩm vô hại.

1.2. Vật Liệu Quang Xúc Tác Giải Pháp Tiềm Năng Cho Xử Lý Phenol

Vật liệu quang xúc tác là những vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-hole, từ đó kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt vật liệu. Các phản ứng này có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, bao gồm phenol, thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O. TiO2 là một trong những vật liệu quang xúc tác được nghiên cứu rộng rãi nhất, nhưng nó chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng UV. BiTaO4, một vật liệu mới hơn, có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi hơn trong xử lý ô nhiễm.

II. Thách Thức Cơ Hội Nghiên Cứu Vật Liệu Nano BiTaO4

Mặc dù vật liệu nano BiTaO4 có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất quang xúc tác của nó. Một trong những thách thức lớn nhất là cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-hole. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực giải quyết những thách thức này thông qua các phương pháp như doping BiTaO4, tạo composite BiTaO4, và xây dựng cấu trúc heterojunction BiTaO4. Ngoài ra, việc nghiên cứu cơ chế quang xúc tác chi tiết của BiTaO4 cũng rất quan trọng để hiểu rõ hơn về quá trình phản ứng và tối ưu hóa hiệu suất. Nghiên cứu này sẽ khám phá các thách thức và cơ hội trong việc phát triển vật liệu nano BiTaO4 hiệu quả hơn cho phân hủy phenol.

2.1. Tối Ưu Hóa Khả Năng Hấp Thụ Ánh Sáng Của BiTaO4

Khả năng hấp thụ ánh sáng là một yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất quang xúc tác của BiTaO4. BiTaO4 có độ rộng vùng cấm nhất định, do đó chỉ hấp thụ được ánh sáng có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm này. Để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các phương pháp như doping BiTaO4 với các nguyên tố khác, tạo composite BiTaO4 với các vật liệu hấp thụ ánh sáng tốt hơn, hoặc thay đổi cấu trúc tinh thể BiTaO4.

2.2. Giảm Thiểu Tái Tổ Hợp Electron Hole Trong BiTaO4

Sự tái tổ hợp electron-hole là một quá trình cạnh tranh với quá trình quang xúc tác, làm giảm hiệu suất của vật liệu. Để giảm thiểu sự tái tổ hợp này, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các phương pháp như tạo heterojunction BiTaO4 với các vật liệu khác, hoặc sử dụng các chất hỗ trợ để tách các electron và hole.

III. Phương Pháp Điều Chế Vật Liệu Nano BiTaO4 Tổng Hợp Chi Tiết

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chế vật liệu nano BiTaO4, bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp đồng kết tủa, và phương pháp microwave. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp sol-gel là một phương pháp phổ biến vì tính đơn giản và khả năng kiểm soát kích thước hạt. Phương pháp thủy nhiệt cho phép điều chế vật liệu với độ tinh khiết cao và cấu trúc tinh thể tốt. Phương pháp đồng kết tủa có thể tạo ra vật liệu với kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào phương pháp sol-gel và phương pháp thủy nhiệt để điều chế vật liệu nano BiTaO4.

3.1. Phương Pháp Sol Gel Ưu Điểm và Quy Trình Thực Hiện

Phương pháp sol-gel là một phương pháp hóa học ướt, dựa trên quá trình thủy phân và ngưng tụ của các tiền chất kim loại trong dung dịch. Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản, khả năng kiểm soát kích thước hạt, và khả năng tạo ra vật liệu với độ tinh khiết cao. Quy trình thực hiện bao gồm các bước: hòa tan tiền chất kim loại trong dung môi, thêm chất xúc tác để kích hoạt quá trình thủy phân và ngưng tụ, tạo gel, sấy khô gel, và nung để tạo thành vật liệu nano BiTaO4.

3.2. Phương Pháp Thủy Nhiệt Điều Chế BiTaO4 Độ Tinh Khiết Cao

Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp điều chế vật liệu trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tạo ra vật liệu với độ tinh khiết cao, cấu trúc tinh thể tốt, và kích thước hạt đồng đều. Quy trình thực hiện bao gồm các bước: hòa tan tiền chất kim loại trong nước, thêm chất điều chỉnh pH, cho vào nồi hấp thủy nhiệt, gia nhiệt và giữ nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định, làm nguội, và thu hồi vật liệu nano BiTaO4.

IV. Nghiên Cứu Tính Chất Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano BiTaO4

Để đánh giá hiệu quả quang xúc tác của vật liệu nano BiTaO4, cần thực hiện các thí nghiệm phân hủy phenol trong điều kiện ánh sáng khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác bao gồm ảnh hưởng của pH, ảnh hưởng của nồng độ phenol, ảnh hưởng của cường độ ánh sáng, và ảnh hưởng của lượng chất xúc tác. Các phương pháp phân tích như phân tích UV-Vis DRS, phân tích GC-MS, và phân tích HPLC được sử dụng để theo dõi quá trình phân hủy phenol và xác định các sản phẩm trung gian. Nghiên cứu này sẽ trình bày kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá hiệu suất quang xúc tác của BiTaO4.

4.1. Ảnh Hưởng Của pH Đến Khả Năng Phân Hủy Phenol

Ảnh hưởng của pH là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá hiệu suất quang xúc tác của BiTaO4. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của vật liệu, khả năng hấp phụ phenol, và sự hình thành các gốc tự do. Thường thì, hiệu suất phân hủy phenol cao nhất ở một pH tối ưu nào đó.

4.2. Ảnh Hưởng Của Nồng Độ Phenol và Cường Độ Ánh Sáng

Nồng độ phenol và cường độ ánh sáng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác. Nồng độ phenol quá cao có thể làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Cường độ ánh sáng quá thấp có thể không đủ để kích hoạt quá trình quang xúc tác. Do đó, cần tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu suất phân hủy phenol cao nhất.

V. Ứng Dụng Thực Tế Vật Liệu BiTaO4 Trong Xử Lý Nước Thải

Sau khi đánh giá hiệu quả quang xúc tác của vật liệu nano BiTaO4 trong điều kiện phòng thí nghiệm, cần thử nghiệm ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải thực tế. Nước thải thực tế thường chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác. Do đó, cần đánh giá khả năng xử lý phenol của BiTaO4 trong môi trường phức tạp này. Ngoài ra, cần nghiên cứu độ bền quang xúc tác và khả năng tái sử dụng vật liệu để đảm bảo tính kinh tế và bền vững của quy trình xử lý. Nghiên cứu này sẽ trình bày kết quả thử nghiệm ứng dụng BiTaO4 trong xử lý nước thải chứa phenol.

5.1. Đánh Giá Khả Năng Xử Lý Nước Thải Chứa Phenol Thực Tế

Nước thải thực tế thường chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, có thể cạnh tranh với phenol trong quá trình hấp phụ và phản ứng trên bề mặt vật liệu. Do đó, cần đánh giá khả năng xử lý phenol của BiTaO4 trong môi trường phức tạp này. Các phương pháp phân tích như phân tích COD và phân tích BOD được sử dụng để đánh giá hiệu quả xử lý tổng thể của vật liệu.

5.2. Nghiên Cứu Độ Bền và Khả Năng Tái Sử Dụng Vật Liệu BiTaO4

Độ bền quang xúc tác và khả năng tái sử dụng vật liệu là những yếu tố quan trọng cần xem xét để đảm bảo tính kinh tế và bền vững của quy trình xử lý. Vật liệu cần có khả năng duy trì hiệu suất quang xúc tác sau nhiều chu kỳ sử dụng. Các phương pháp như rửa vật liệu, nung lại vật liệu, hoặc xử lý bề mặt vật liệu có thể được sử dụng để cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu Quang Xúc Tác BiTaO4

Nghiên cứu này đã trình bày tổng quan về vật liệu nano BiTaO4 và khả năng quang xúc tác của nó trong phân hủy phenol. BiTaO4 là một vật liệu đầy hứa hẹn cho xử lý ô nhiễm phenol do khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hiệu suất quang xúc tác cao. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng vật liệu trong thực tế. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải tiến vật liệu BiTaO4, nghiên cứu cơ chế quang xúc tác chi tiết, và phát triển các quy trình xử lý hiệu quả và bền vững. Nghiên cứu này hy vọng sẽ đóng góp vào việc phát triển các giải pháp hiệu quả để bảo vệ môi trường.

6.1. Cải Tiến Vật Liệu BiTaO4 Doping Composite Heterojunction

Để cải thiện hiệu suất quang xúc tác của BiTaO4, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các phương pháp như doping BiTaO4 với các nguyên tố khác, tạo composite BiTaO4 với các vật liệu khác, hoặc xây dựng cấu trúc heterojunction BiTaO4. Các phương pháp này có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, giảm thiểu sự tái tổ hợp electron-hole, và tăng diện tích bề mặt của vật liệu.

6.2. Nghiên Cứu Cơ Chế Quang Xúc Tác Chi Tiết Của BiTaO4

Việc nghiên cứu cơ chế quang xúc tác chi tiết của BiTaO4 là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về quá trình phản ứng và tối ưu hóa hiệu suất. Các phương pháp như phân tích XPS và phân tích TEM có thể được sử dụng để xác định các trạng thái oxy hóa của các nguyên tố trên bề mặt vật liệu và theo dõi quá trình truyền điện tích.