Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu spinel ferrite ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước

Nghiên cứu chế tạo vật liệu spinel ferrite ứng dụng xử lý kim loại nặng và chất màu độc hại trong nước, góp phần bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Trần Văn Chinh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hoài Phương
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở spinel ferrite ứng dụng để xử lý kim loại nặng và chất màu hữu cơ độc hại trong môi trường nước
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG VÀ XÚC TÁC QUANG HÓA PHÂN HỦY CHẤT MÀU HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
• 1.2. Vật liệu spinel ferrite
• 1.3. Vật liệu TiO2
• 1.4. Vật liệu tổ hợp spinel ferrite/TiO2
• 2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU SPINEL FERRITE VÀ VẬT LIỆU TỔ HỢP SPINEL FERRITE/TiO2
• 2.1. Tổng hợp vật liệu spinel ferrite Cu1-xMgxFe2O4 (x = 0; 0,5; 1)
• 2.2. Tổng hợp vật liệu TiO2 và vật liệu tổ hợp Cu0.5Fe2O4/TiO2
• 2.3. Các phương pháp, kỹ thuật nghiên cứu đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu
• 2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Pb2+ của vật liệu spinel ferrite Cu0.5Mg0,5Fe2O4 và xúc tác quang hóa phân hủy RhB của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0,5Fe2O4/TiO2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẶC TRƯNG, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SPINEL FERRITE VÀ VẬT LIỆU TỔ HỢP
• 3.1. Kết quả nghiên cứu quá trình hấp phụ Pb2+ của vật liệu spinel ferrite
• 3.2. Kết quả nghiên cứu xúc tác quang hóa phân hủy RhB của vật liệu tổ hợp
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu spinel ferrite trong xử lý ô nhiễm nước

Vật liệu spinel ferrite đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trong việc xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là trong việc hấp phụ kim loại nặng và phân hủy chất màu độc hại. Với cấu trúc độc đáo và tính chất từ tính, vật liệu này không chỉ có khả năng hấp phụ tốt mà còn dễ dàng thu hồi sau khi sử dụng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng spinel ferrite có thể giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp, đồng thời tăng cường hiệu quả xử lý nước thải.

1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu spinel ferrite

Cấu trúc của spinel ferrite được đặc trưng bởi mạng tinh thể lập phương, cho phép ion kim loại dễ dàng di chuyển. Tính chất từ tính của vật liệu này giúp nó có thể được thu hồi bằng từ trường, làm tăng tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

1.2. Ứng dụng của vật liệu spinel ferrite trong xử lý nước

Vật liệu spinel ferrite được sử dụng rộng rãi trong việc hấp phụ kim loại nặng như Pb2+ và phân hủy các chất màu độc hại như Rhodamine B. Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu này có khả năng hấp phụ cao, giúp cải thiện chất lượng nước.

II. Vấn đề ô nhiễm nước do kim loại nặng và chất màu độc hại

Ô nhiễm nước do kim loại nặng và chất màu độc hại đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Các nguồn ô nhiễm này chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Chì và Rhodamine B là hai trong số những chất gây ô nhiễm phổ biến nhất, có thể gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người và môi trường.

2.1. Tác động của kim loại nặng đến sức khỏe con người

Kim loại nặng như Pb2+ có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm tổn thương não, bệnh thận và ung thư. Việc xử lý nước nhiễm kim loại nặng là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.2. Nguy cơ từ chất màu độc hại trong nước

Chất màu độc hại như Rhodamine B không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ngay cả ở nồng độ thấp, chúng có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe nghiêm trọng.

III. Phương pháp xử lý ô nhiễm nước bằng vật liệu spinel ferrite

Phương pháp hấp phụ và xúc tác quang là hai trong số những phương pháp hiệu quả nhất để xử lý ô nhiễm nước. Vật liệu spinel ferrite có thể được sử dụng trong cả hai phương pháp này, giúp loại bỏ kim loại nặng và phân hủy chất màu độc hại.

3.1. Phương pháp hấp phụ kim loại nặng

Phương pháp hấp phụ sử dụng spinel ferrite cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng như Pb2+. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng hấp phụ của vật liệu này có thể được cải thiện bằng cách thay thế ion kim loại trong cấu trúc.

3.2. Xúc tác quang phân hủy chất màu độc hại

Vật liệu spinel ferrite cũng có thể được sử dụng làm chất xúc tác quang để phân hủy chất màu độc hại như Rhodamine B. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp với TiO2 có thể nâng cao hiệu suất xúc tác quang.

IV. Kết quả nghiên cứu về khả năng xử lý của vật liệu spinel ferrite

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu spinel ferrite có khả năng hấp phụ và phân hủy kim loại nặng và chất màu độc hại rất hiệu quả. Các thí nghiệm cho thấy rằng vật liệu này có thể loại bỏ đến 90% Pb2+ và Rhodamine B trong điều kiện tối ưu.

4.1. Hiệu quả hấp phụ Pb2 của vật liệu spinel ferrite

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng vật liệu spinel ferrite có khả năng hấp phụ Pb2+ cao, với dung lượng hấp phụ đạt được lên đến 50 mg/g. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu trong xử lý nước nhiễm kim loại nặng.

4.2. Khả năng phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng

Vật liệu tổ hợp spinel ferrite/TiO2 cho thấy khả năng phân hủy Rhodamine B hiệu quả dưới ánh sáng UV, với tỷ lệ phân hủy đạt 85% sau 120 phút. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý chất màu độc hại.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về vật liệu spinel ferrite cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm nước. Việc phát triển các vật liệu mới và cải tiến quy trình xử lý sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tái sử dụng của vật liệu.

5.1. Tương lai của vật liệu spinel ferrite trong xử lý nước

Vật liệu spinel ferrite có thể được phát triển thêm để cải thiện khả năng hấp phụ và xúc tác. Nghiên cứu về các hợp chất mới và phương pháp tổng hợp sẽ là chìa khóa cho sự phát triển này.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về khả năng tái sử dụng và hiệu quả lâu dài của vật liệu spinel ferrite trong các điều kiện thực tế. Điều này sẽ giúp xác định tính khả thi của vật liệu trong ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN VĂN CHINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ SPINEL FERRITE ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG VÀ CHẤT MÀU HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2022 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN VĂN CHINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ SPINEL FERRITE ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG VÀ CHẤT MÀU HỮU CƠ ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Nguyễn Thị Hoài Phƣơng 2. TS Vũ Thị Thu Hà Hà Nội - 2022 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Trần Văn Chinh LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Hóa học-Vật liệu/Viện KH-CN quân sự/Bộ Quốc phòng. Lời đầu tiên, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến PGS. TS Nguyễn Thị Hoài Phương và GS. TS Vũ Thị Thu Hà đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và luôn giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu luận án. Chân thành cảm ơn các thầy, cô, các nhà khoa học của Viện Hóa học- Vật liệu/Viện KH-CN quân sự đã giảng dạy, góp ý, trao đổi các nội dung khoa học trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CN quân sự, Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Viện Hóa học-Vật liệu, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã luôn tạo điều kiện, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu sinh Trần Văn Chinh LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . vii DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . Vật liệu spinel ferrite . Cấu trúc của vật liệu spinel ferrite . Một số tính chất cơ bản của vật liệu spinel ferrite . Các phương pháp tổng hợp vật liệu spinel ferrite . Ứng dụng của vật liệu spinel ferrite . Vật liệu TiO2 . Cấu trúc và tính chất của TiO2 . Phương pháp biến tính TiO2. Hiện trạng và giải pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng và chất màu hữu cơ trong môi trường nước . Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng. Hiện trạng ô nhiễm chất màu hữu cơ . Hấp phụ kim loại nặng trong môi trường nước . Quá trình xúc tác quang phân hủy chất màu hữu cơ độc hại . Tình hình nghiên cứu về vật liệu spinel ferrite và vật liệu tổ hợp spinel ferrite/TiO2 ứng dụng trong hấp phụ và xúc tác . Tình hình nghiên cứu trên thế giới . Tình hình nghiên cứu trong nước. 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm . Thiết bị và dụng cụ. Tổng hợp vật liệu spinel ferrite Cu1-xMgxFe2O4 . Tổng hợp vật liệu TiO2 và vật liệu tổ hợp Cu0. Phương pháp, kỹ thuật nghiên cứu. Phương pháp xác định đặc trưng vật liệu. Phương pháp trắc quang UV-Vis . Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS . Xác định điểm đẳng điện của vật liệu . Nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0. Ảnh hưởng của sự thay thế Cu2+ bởi Mg2+ đến dung lượng hấp phụ . Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Pb2+ của vật liệu . Đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ của vật liệu . Động học hấp phụ của vật liệu . Khả năng tái sử dụng của vật liệu Cu0. Đánh giá khả năng hấp phụ chọn lọc của vật liệu Cu 0. Nghiên cứu khả năng xúc tác quang hóa phân hủy dung dịch RhB của vật liệu tổ hợp Cu0. Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 đến hoạt tính xúc tác quang hóa . Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác quang hóa . Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hoạt tính xúc tác quang hóa . Ảnh hưởng của pH đến hoạt tính xúc tác quang hóa . Khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác Cu0. So sánh hoạt tính xúc tác quang của vật liệu Cu0.5Fe2O4/TiO2 dưới các nguồn chiếu sáng khác nhau . Đánh giá vai trò của các gốc tự do trong quá trình quang phân hủy RhB. 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhận diện sản phẩm phân hủy RhB và khoáng hóa . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . Tổng hợp vật liệu spinel feritte Cu1-xMgxFe2O4 (x = 0; 0,5; 1) . Cấu trúc và thành phần của vật liệu . Hình thái vật liệu . Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 (BET). Tính chất từ của vật liệu . Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis . Khảo sát điểm đẳng điện của vật liệu Cu0. Tổng hợp vật liệu TiO2 và vật liệu tổ hợp Cu0. Cấu trúc và thành phần của vật liệu . Hình thái của vật liệu . Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 (BET). Tính chất từ của vật liệu . Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis . Phổ huỳnh quang . Nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0. Ảnh hưởng của sự thay thế Cu2+ bởi Mg2+ đến dung lượng hấp phụ Pb2+ . Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Pb2+ . Đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ của vật liệu . Động học hấp phụ Pb2+ của vật liệu . Đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu . Đánh giả khả năng hấp phụ chọn lọc của vật liệu. Nghiên cứu khả năng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu tổ hợp Cu0. Ảnh hưởng của hàm lượng TiO2 . Ảnh hưởng của nhiệt độ nung . 104 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ảnh hưởng của hệ xúc tác . Ảnh hưởng của pH . Đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu xúc tác Cu0. Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu Cu0.5Fe2O4/TiO2 dưới các nguồn sáng khác nhau . Đề xuất cơ chế phản ứng xúc tác quang phân hủy RhB của vật liệu tổ hợp Cu0. 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 159 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a Hằng số mạng tinh thể Eg Năng lượng vùng cấm (Band gap energy) mxt: Khối lượng chất xúc tác (g) rA, rB Bán kính lỗ trống tứ diện, bát diện (Å) Ro Bán kính anion O2- (Å) T Nhiệt độ (oC) Vdd Thể tích dung dịch (mL) AAS Phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy) AO Amoni oxalat (Ammonium oxalate) BQ 1,4-Benzoquinon DI Nước khử ion (Deionized Water) EDX Tán xạ năng lượng tia X (Energy dispersive X-ray) FTIR Hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier-Transform Infrared) MB Methylen xanh (Methylene Blue) MO Metyl da cam (Methyl Orange) MOF Khung kim loại-hữu cơ (Metal-organic framework) pHpzc Giá trị pH đẳng điện (Point of zero charge) PL Huỳnh quang (Photoluminescence) RhB Rhodamin B SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) IUPAC Hiệp hội quốc tế về hóa học cơ bản và ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry) IPA Rượu isopropyl (Isopropyl alcohol) SFNP Hạt nano spinel ferrite (Spinel ferrite nanopaticle) SN Bạc nitrat (Silver nitrate) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] viii SPFs Các spinel ferrite (Spinel ferrites) TGA/DTA Phân tích nhiệt trọng lượng/Nhiệt vi sai (Thermogravimetry analysis/ Differential thermal analysis) TOC Tổng hàm lượng cacbon (Total of carbon) UV-Vis Tử ngoại - khả kiến (Ultraviolet - Visible) VSM Từ kế mẫu rung (Vibrating sample magetometer) WHO Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organization) XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) XPS Phổ quang điện tử tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. So sánh tính chất của một số spinel ferrite theo các phương pháp tổng hợp khác nhau. Quy định nồng độ tối đa của các kim loại nặng trong nước uống ở các quốc gia khác nhau (μg/L) [100]. Mối tương quan của RL và dạng mô hình đẳng nhiệt. Danh mục hóa chất. Ký hiệu các mẫu vật liệu tổng hợp ở các điều kiện khác nhau. Kích thước tinh thể và hằng số mạng của vật liệu. Dải hấp thụ ν1 và ν2 của vật liệu. Các thông số đặc trưng cho tính chất xốp của vật liệu. Từ độ bão hòa, từ độ dư và lực kháng từ của vật liệu. Kết quả ảnh hưởng nồng độ Pb2+ đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0. Các tham số trong mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của vật liệu Cu0.5Fe2O4 đối với Pb2+. So sánh dung lượng hấp phụ Pb2+ của Cu0.5Fe2O4 tổng hợp được với CuFe2O4. Kết quả ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0. Các tham số trong mô hình động học hấp phụ Pb2+ của vật liệu Cu0. Hằng số tốc độ phản ứng và hiệu suất phân hủy RhB . So sánh hoạt tính quang xúc tác của một số vật liệu spinel ferrite/TiO2 đối với sự phân hủy chất màu hữu cơ. 110 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1. Cấu trúc tinh thể spinel ferrite. Cấu hình phân bố ion trong mạng tinh thể spinel ferrite. Sơ đồ quá trình hấp phụ, thu hồi và tái sử dụng của vật liệu . Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2. Cơ chế xúc tác quang của TiO2 [166]. Công thức cấu tạo của Rhodamine B (a) dạng cation và (b) dạng lưỡng điện. Sơ đồ tổng hợp spinel ferrite Cu1-xMgxFe2O4. Sơ đồ tổng hợp TiO2. Sơ đồ tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu0. Tủ xúc tác quang hóa sử dụng đèn xenon AHD350. Giản đồ TGA-DTA mẫu tiền chất của spinel ferrite Cu0. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Cu0.5Fe2O4 nung ở các nhiệt độ khác nhau. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu CuFe2O4, MgFe2O4 và Cu0. Sự dịch chuyển peak (311) của vật liệu CuFe2O4, MgFe2O4 và Cu0. Phổ hồng ngoại của vật liệu CuFe2O4, MgFe2O4 và Cu0. Phổ EDX của vật liệu (a) CuFe2O4, (b) MgFe2O4 và. Ảnh SEM của vật liệu (a) CuFe2O4, (b) MgFe2O4 và . Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 và sự phân bố kích thước mao quản của vật liệu (a) CuFe2O4, (b) MgFe2O4 và (c) Cu0. 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] xi Hình 3. (a) Đường cong từ trễ của vật liệu CuFe2O4, MgFe2O4, Cu0.5Fe2O4 và (b) hình ảnh vật liệu Cu0.5Fe2O4 được hút bởi nam châm.