Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hydroxit lớp kép tizn mang trên sepiolite để xử lý phẩm màu trong nước

Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hydroxit lớp kép tizn mang trên sepiolite để xử lý phẩm màu trong nước hiệu quả.

Trường đại học

Đại học Quốc gia Hà Nội

Chuyên ngành

Hóa học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2023

138
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HYDROXIT LỚP KÉP (LDHs)

1.2. GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MANG SEPIOLITE

1.2.1. Đặc điểm của sepiolite

1.2.2. Ứng dụng của sepiolite

1.3. PHẨM MÀU VÀ RHODAMINE B

1.3.1. Khái quát về phẩm màu

1.3.2. Ô nhiễm nước thải do phẩm màu. Một số phương pháp xử lý nước thải chứa phẩm màu

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu

2.1.2. Nội dung nghiên cứu

2.2. TỔNG HỢP XÚC TÁC

2.2.1. Tổng hợp hệ xúc tác chứa titan dioxit trên chất mang sepiolite

2.2.2. Tổng hợp hệ xúc tác hydroxit lớp kép Ti-Zn-OH

2.2.3. Tổng hợp xúc tác hydroxit lớp kép Ti-Zn-OH trên chất mang sepiolite

2.3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC

2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.3.2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X

2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại

2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét

2.3.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

2.3.6. Phương pháp hấp phụ - giải hấp phụ

2.3.7. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến

2.4. THỰC NGHIỆM XỬ LÝ PHẨM MÀU RHODAMINE B TRONG NƯỚC

2.4.1. Khảo sát hấp phụ rhodamine B trên sepiolite

2.4.2. Oxi hóa rhodamine B bằng xúc tác trong điều kiện oxi không khí

2.4.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ rhodamine B

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. DÃY XÚC TÁC THỨ NHẤT: TiO2/SEPIOLITE

3.1.1. Kết quả nghiên cứu đặc trưng xúc tác

3.1.2. Khả năng xử lý phẩm màu rhodamine B trong nước trên TiO2/sepiolite

3.2. DÃY XÚC TÁC THỨ HAI

3.2.1. Kết quả nghiên cứu đặc trưng xúc tác

3.3. OXI HÓA RHODAMINE B TRÊN XÚC TÁC HYDROXIT LỚP KÉP Ti-Zn-OH

3.3.1. Tổng hợp và đặc trưng dãy xúc tác hydroxit lớp kép Ti-Zn/sepiolite

3.3.2. Oxi hóa rhodamine B trên xúc tác Ti-Zn-OH/sepiolite

3.3.3. Thảo luận về hoạt tính xúc tác của hệ xúc tác Ti-Zn-OH/sepiolite trong phản ứng oxi hóa Rhodamine

ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu xúc tác hydroxit lớp kép

Vật liệu xúc tác hydroxit lớp kép (LDHs) đã được nghiên cứu từ lâu và được biết đến với khả năng xúc tác cao trong các phản ứng hóa học. Cấu trúc của LDHs cho phép chúng có khả năng trao đổi ion và hấp phụ tốt, điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong việc xử lý phẩm màu trong nước. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng LDHs chứa Ti và Zn có khả năng oxi hóa vượt trội so với các vật liệu truyền thống như TiO2 và ZnO. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các hệ xúc tác hiệu quả hơn cho việc xử lý nước thải chứa phẩm màu độc hại như rhodamine B. Việc sử dụng sepiolite làm chất mang cho các LDHs không chỉ cải thiện khả năng tiếp xúc giữa chất xúc tác và chất ô nhiễm mà còn tăng cường tính ổn định của hệ xúc tác trong quá trình xử lý.

1.1. Tính chất và ứng dụng của LDHs

LDHs có cấu trúc lớp đặc biệt, cho phép chúng có khả năng trao đổi ion và hấp phụ tốt. Tính chất này rất quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm nước, đặc biệt là các phẩm màu độc hại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng LDHs có thể hấp phụ và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, nhờ vào khả năng oxi hóa mạnh mẽ của chúng. Việc sử dụng LDHs trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các ứng dụng của LDHs trong xử lý nước thải đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm, cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ các phẩm màu như rhodamine B, một trong những chất gây ô nhiễm nghiêm trọng trong ngành dệt nhuộm.

II. Nghiên cứu về sepiolite và vai trò của nó trong xử lý phẩm màu

Sepiolite là một loại khoáng sét có cấu trúc đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng môi trường. Với khả năng hấp phụ tốt, sepiolite có thể cải thiện hiệu suất của các hệ xúc tác trong việc xử lý nước thải. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp sepiolite với các vật liệu xúc tác như hydroxit lớp kép Ti-Zn có thể tạo ra một hệ xúc tác hiệu quả hơn trong việc xử lý phẩm màu. Sự kết hợp này không chỉ giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa chất xúc tác và chất ô nhiễm mà còn cải thiện tính ổn định của hệ xúc tác trong quá trình xử lý. Các thí nghiệm cho thấy rằng hệ xúc tác Ti-Zn-OH/sepiolite có khả năng xử lý rhodamine B hiệu quả, nhờ vào khả năng oxi hóa mạnh mẽ của Ti và Zn trong cấu trúc của nó.

2.1. Đặc điểm của sepiolite

Sepiolite có cấu trúc sợi và khả năng hấp phụ cao, điều này làm cho nó trở thành một chất mang lý tưởng cho các hệ xúc tác. Đặc điểm này giúp sepiolite có thể giữ lại các chất ô nhiễm trong nước, đồng thời tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học xảy ra. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sepiolite có thể hấp phụ các phẩm màu như rhodamine B, từ đó giúp giảm thiểu ô nhiễm trong nước. Việc sử dụng sepiolite trong các hệ xúc tác không chỉ giúp cải thiện hiệu suất xử lý mà còn góp phần bảo vệ môi trường, nhờ vào khả năng hấp phụ và phân hủy các chất độc hại trong nước.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hiện đại để tổng hợp và đánh giá hiệu suất của hệ xúc tác hydroxit lớp kép Ti-Zn/sepiolite trong việc xử lý phẩm màu. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ hồng ngoại (FTIR) đã được áp dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy rằng hệ xúc tác Ti-Zn/sepiolite có khả năng xử lý rhodamine B hiệu quả, với hiệu suất cao trong các điều kiện khác nhau. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh tỉ lệ Ti/Zn trong hệ xúc tác có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý, cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc của hệ xúc tác là rất quan trọng trong việc nâng cao khả năng xử lý phẩm màu trong nước.

3.1. Kết quả xử lý rhodamine B

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng hệ xúc tác Ti-Zn/sepiolite có khả năng xử lý rhodamine B hiệu quả trong điều kiện chiếu sáng và bóng tối. Hiệu suất xử lý đạt được lên đến 90% trong thời gian ngắn, cho thấy tiềm năng ứng dụng của hệ xúc tác này trong thực tế. Các yếu tố như nồng độ rhodamine B, pH của dung dịch, và tỉ lệ Ti/Zn đều có ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quý giá về khả năng xử lý của hệ xúc tác mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả cho việc xử lý nước thải chứa phẩm màu độc hại.

07/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN CÁC VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU 1. TONG QUAN VE VAT LIEU HYDROXIT LỚP KEP (LDHs) 1. Giới thiệu về vat liệu hydroxit lớp kép (LDHs) Các hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxides — LDHs) đã được biết đến từ hơn 150 năm trước đây. Công thức chung của các LDHs là: [M”*).

Chúng còn được gọi là vật liệu giống hiđrotalcite hay đơn giản là vật liệu hiđrotalcite (HT) theo tên gọi của một khoáng sét trong họ, ton tại trong tự nhiên với công thức chính xác là MgsAlz(OH)ieCOa. Trong những năm gần đây, các vật liệu dạng hydroxit lớp kép (LDHs) được quan tâm nghiên cứu do cấu trúc đặc biệt của chúng. Về bản chất, các lớp hydroxit trong hệ vật liệu này chồng xếp lên nhau và xen giữa các lớp hydroxit là các anion hữu cơ hoặc vô cơ. Lớp xen giữa 2 lớp hydroxit cũng có thê là chất trung tính hoặc cation (lớp hydroxit hoặc muối của hydroxit) hoặc anion hữu cơ/vô cơ hoặc cả hai.

Trong trường hợp chứa cả anion hữu cơ và vô cơ, chúng được gọi là vật liệu lai hữu cơ — vô cơ (OIHM) [26]. Nhờ đó, vật liệu 2 lớp hydroxit có khả năng trao đổi anion và hỗ trợ xúc tác oxi hóa — khử [63]. Cấu trúc của vật liệu hydroxit lớp kép LDHs Cấu trúc của LDHs tương tự các hydroxit đơn giản của kim loại hóa trị hai, chăng hạn như brucite Mg(OH)›, trong đó tắm hydroxit được hình thành bởi sự kết hợp của các bát diện M(OH)s (M = Mg, Ca, Cd, Fe, Ni, Cu.) nối với nhau ở các cạnh theo kiểu cau trúc Cdl›. Lớp hydroxit: là hỗn hợp của các hydroxit của các kim loại hóa tri (TT) và hóa tri (IID), tại đỉnh là các nhóm OH, tâm là các kim loại hóa tri 2 và 3, có cấu trúc tương tự như cấu trúc brucite trong tự nhiên.

Trong lớp hydroxit một phần kim loại hóa tri (II) được thay thế bởi kim loại hóa trị (HD nên lớp hydroxit mang điện dương và được bù bởi anion CO3* xen giữa các lớp. Trên thực tế, vật liệu LDHs không đơn thuần chỉ chứa kim loại hóa trị II mà thường có mặt thêm một nguyên tố kim loại hóa trị III, thông thường là hệ gồm magiê và nhôm hydroxit (còn gọi là hidrotalcite) [35]. Các tắm kim loại hydroxit đan xen lần lượt tạo thành cấu trúc lớp LDHs. Khoảng không gian giữa 2 tam hydroxit liền kề chứa các phân tử nước hấp phụ và anion vơ cơ hay hữu cơ tùy thuộc vào thành phần nguyên tố hóa tri IIIL Nếu như trong tam hydroxit có mặt ion hóa trị II dẫn đến hiện tượng dư thừa điện tích đương trong công thức câu tạo hydroxit.

Do đó, các anion vô cơ như cacbonat, sulfat, nitrat. được chèn vào khoảng không gian giữa 2 lớp hydroxit lién ké dé trung hoa dién. Vi thé, trong vật liệu LDHs luôn có mặt các anion va các phân tử nước nam giữa 2 lớp hydroxit. Liên kết giữa các ion với lớp hydroxit là liên kết tĩnh điện.

Không có giới hạn cho các anion nhưng các anion này phải thỏa mãn các điều kiện sau [40]: - Ôn định trong điều kiện hoạt động, - Phù hợp giữa kích thước anion và hình học hoặc hình học với thể tích không gian của lớp đan xen giữa 2 lớp hydroxit liền kề. Một lượng lớn anion có thé được chèn vào không gian giữa các lớp như: - Anion đơn: CO”, OH’, F, Cl, Br, I, NO*, CIO* - lon phức halogen: [NiCl4] 7, [CoC] 4] 7, [IrCl 6] * - Ion phức Xyanua: [Fe(CN) 6] *, [C(CN) 6] *, [Mo(CN) s]*. - lon phức oxo:: [Mo0,(0,CC(S)Ph;)3] - Các hợp chat Macroclinical: metalloporphyrins, metallophthalocyanines. - Oxometalat: chromat, vanadat, molybdat.

- Anion hữu cơ hoặc các polyme: anion của axit adipic, axit oxalic, axit malonic hoặc polyacrylate v. Lưu ý rằng có sự khác biệt rất rõ giữa các nhóm vô cơ và hữu cơ. Các anion nhóm vô cơ thích hợp cho các lớp đan xen kích thước nhỏ trong khi các ion hữu co phù hợp cho các lớp đan xen lớn hơn. Nói chung, các anion đơn giản được sử dung (CO7, OH’, halogenua.) thường hay gặp hơn cả dé trung hòa điện tích dư thừa trong LDHs [43, 49].

Lớp xen giữa hai tắm hydroxit bát diện cứ thế luân phiên xếp chồng lên nhau làm cho LDHs có cấu trúc lớp, lớp hydroxit liên kết với lớp xen giữa bang lực hút tĩnh điện (hình 1. Liên kết giữa các phân tử nước và các anion trong lớp xen giữa là liên kết hiđro. Các anion và các phân tử nước trong lớp xen giữa được phân bố một cách ngẫu nhiên và có thé di chuyên tự do không định hướng, các anion khác có thé thêm vào hoặc bị loại bỏ trong lớp xen giữa nhưng không làm thay đổi tinh chất của LDHs. Khoảng cách lop co bản t Lop xen giữa © Cac amon A” @ Các phân ty nước | Lớp Brucite @ Cation kim loại MỸ” hoặc M** © Cac anton OH Hình 1.

Hình dang cấu trúc lép của LDHs[35] 1. Tính chất của LDHs e_ Tính chất trao đôi ion Các đa kim loại hay các oxit kim loại trong dung dịch có sức hấp dẫn rất lớn với các LDHs, do đó LDHs trở thành một trong những hợp chất chủ yếu dé trao đôi ion. Phương pháp trao đổi ion có dang sau: [M2*M3+A] + A”-=[M?*M3*A°]+ A- Trong đó A là anion lớp xen giữa A’ là anion cần trao đổi hoặc viết dạng rút gọn: HT-A’ + A = HT-AA’ HT-A: HT có 1 anion xen giữa A’ HT-AA’: HT có 2 anion xen giữa cùng tồn tại, do quá trình trao đổi không hoàn toàn, A không trao đôi hết với A’. Sự trao đôi thuận lợi với các anion có mật độ điện tích cao.

Sự trao đổi anion trong hydroxit lớp kép phụ thuộc vào các yếu tổ sau: - Sự tương tác tĩnh điện của lớp hydroxit tích điện dương với anion xen giữa và năng lượng tự do các anion cần trao đôi. - Ái lực trao đôi của lớp hydroxit với các anion cần trao đồi trong dung dịch và ái lực của lớp hydroxit với anion trong lớp xen giữa. - Cấu tạo cong kénh của ion cần trao đổi (A). - Hang số cân bang tăng khi bán kính anion giảm, trao đổi ion sẽ thuận lợi với các anion trong dung dịch có nồng độ cao.

- Quả trình trao đổi anion. - Anion hóa tri II được ưu tiên hơn anion hóa tri I và thời gian trao đôi cũng nhanh hơn. - Sự trao đổi ion còn có sự ưu tiên đối với các ion có cấu tạo giống với một trong những ion ban đầu. - Khả năng trao đổi anion còn phụ thuộc vào pH của dung dịch [86].

e Tính chất hấp phụ Cùng với khả năng trao đổi ion, tính chất hấp phụ cũng rất quan trọng để ứng dụng của vật liệu LDHs cho các quá trình vật lý. Các chất hấp phụ không chỉ phụ thuộc vào mật độ điện tích mà còn do sự hình thành các liên kết hiđro giữa lớp hydroxit và chất bị hấp phụ [63]. Các phương pháp điều chế LDHs LDHs có thé được điều chế trực tiếp từ các dung dịch muối kim loại, oxit kim loại hay điều chế từ những khoáng tự nhiên bằng cách trao đổi anion hay nung rồi hydrat hóa trở lại với một anion khác dé sap xép lại cấu trúc. Một số phương pháp đã được sử dung dé tổng hợp hydroxit lớp kép như: phương pháp muối — bazo, phương pháp muối — oxit, phương pháp đồng kết tủa.

trong đó phương pháp đồng kết tủa tạo ra các tinh thể LDHs là phổ biến nhất [18, 86]. * Phương pháp muối — bazo: Năm 1942, Feikenecht và Geber lần đầu tiên tông dãy các hidrotalcite [Mg — Al] từ hỗn hợp muối của hai kim loại trên với dung dịch bazơ kiềm khác nhau (COs?, SOz?, CH3COO)). Đây là phương pháp được sử dụng phô biến nhất dé điều chế hiđrotalcite carbonat (HTC) của hai (hoặc lớn hơn) cation kim loại hóa tri II và kim loại hóa tri I. Sau Feitkenecht và Geber phương pháp này được tiếp tục phát triển dựa trên sự thay đổi các thông số như: nồng độ các chất, điều kiện lọc, rửa và điều chỉnh pH.

Đây chính là những yếu tố quyết định sự hình thành của hidrotalcite carbonat (HTC) [124]. * Phương pháp muối — oxi: Phương pháp nay được Boehm, Steinle va Vieweger sử dụng lần đầu tiên năm 1977 dé điều chế các hydroxit lớp kép [Zn-Cr-Cl]. Quá trình thực nghiệm bao gồm tạo huyền phù ZnO từ lượng dư dung dịch muối CrCl trong vài ngày ở nhiệt độ phòng. Năm 1981 cũng với những tiền chất trên Lal và Howe đã điều chế hiđrotalcite [Zn-Cr-Cl] bang cách cho ZnO (ở dạng bột nhão) vào dung dich CrCl; và khuấy trong 10 giờ.

Tuy nhiên, kết quả không thu được sản phẩm tinh khiết do vẫn còn ZnO dư. Phương pháp muối — oxit còn được dùng điều chế các loại HTC khác như: [Zn-AI-CI]; [Zn-Cr-Cl]; [Zn-Cr-NOa]; [Zn-Al-NO3]. * Phương pháp dong kết tủa: Phương pháp này tông hợp hydroxit lớp kép từ hai muối kim loại. Cho hỗn hợp muối của hai kim loại vào dung dịch muối của kim loại kiềm có tính bazơ.

Hỗn hợp dung dịch được giữ ở pH không đổi trong quá trình điều chế. Các chất tham gia phản ứng được khuấy trộn với tốc độ không đổi trong quá trình phản ứng. Ưu điểm của phương pháp đồng kết tủa ở pH có định điều chế được LDHs, tinh thé có kích thước đều đặn, nhỏ (cỡ nanomet, micromet), độ đồng nhất cao, ít tạp chất, diện tích bề mặt lớn và tỷ trọng nhỏ. Tuy nhiên cấu trúc và tính chất hóa lý của sản phẩm còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: phương pháp kết tủa, bản chất và nồng độ của chất phản ứng, pH kết tủa, nhiệt độ và thời gian già hóa, độ tinh khiết, rửa tủa và say khô [31].

* Phương pháp sol-gel: Phương pháp sol-gel lần đầu tiên được đưa ra bởi Lopez và cộng sự dé tông hợp các mẫu Mg-Al hydroxit lớp kép. Quá trình này tao ra dung dịch huyền phù dạng keo (sol) sau đó tạo thành gel (gel) do các liên kết tạo tủa bên trong. Sự hình thành LDHs là kết quả của quá trình thủy phân alkoxide kim loại. Đầu tiên các alkoxide được hòa tan trong một dung môi hữu cơ rồi đưa nước vào từ từ tạo liên kết chéo.

LDHs được tổng hợp bởi kỹ thuật này có độ đồng nhất cao, điện tích bề mặt riêng lớn và độ xốp cao. * Phương pháp trao đổi anion: Câu trúc lớp của LDHs cũng có thê xem như là do các lớp mang điện tích dương xếp chồng lên nhau giữa các tầng anion, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán anion trong khoảng không gian xen giữa và làm cho vật liệu hydroxit dễ dàng trao đổi các ion vô cơ. Nhờ tính chất này người ta tong hợp hydroxit mới bằng cách trao đổi anion.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Nghiên cứu vật liệu xúc tác hydroxit lớp kép tizn trên sepiolite để xử lý phẩm màu trong nước" trình bày một nghiên cứu quan trọng về việc phát triển vật liệu xúc tác mới nhằm xử lý ô nhiễm phẩm màu trong nước. Nghiên cứu này không chỉ chỉ ra hiệu quả của hydroxit lớp kép tizn mà còn nhấn mạnh tiềm năng của sepiolite như một chất nền bền vững. Những kết quả đạt được có thể giúp cải thiện quy trình xử lý nước thải, mang lại lợi ích cho môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Để mở rộng thêm kiến thức về các vật liệu và công nghệ xử lý nước, bạn có thể tham khảo bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ quả phượng và ứng dụng trong xử lý nước thải, nơi nghiên cứu về việc chế tạo than hoạt tính từ nguồn nguyên liệu tự nhiên. Ngoài ra, bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu kháng khuẩn nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các vật liệu nanocomposite có khả năng kháng khuẩn, có thể ứng dụng trong xử lý nước. Cuối cùng, bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu aerogels từ xơ dừa và ứng dụng hấp phụ sẽ giúp bạn hiểu thêm về các vật liệu hấp phụ tiên tiến trong xử lý nước. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về các giải pháp xử lý ô nhiễm nước hiện nay.