Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp tio2 ac tio2 go và đưa lên gốm cordierite làm xúc tác cho quá trình quang phân hủy metyl da cam và phenol

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu tổng hợp tio2 ac tio2 go và đưa lên gốm cordierite làm xúc tác cho quá trình quang phân, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

Chuyên ngành

Chemical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

doctoral dissertation

2022

150
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

GUARANTEE

ACKNOWLEDGEMENTS

TABLE OF CONTENTS

LIST OF ABREVIATIONS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

1. CHƯƠNG 1: PREPARATION OF PHOTOCATALYST USING SOL-GEL METHOD

1.1. Overview of Cordierite

1.2. Mesoporous TiO2 and coating techniques

1.3. Catalyst Suspension and immobilization

1.4. TiO2/AC Materials

1.5. TiO2/GO Materials

1.6. MO photocatalytic degradation

1.7. Phenol photocatalysis degradation

2. CHƯƠNG 2: EXPERIMENTS

2.1. Materials and instruments

2.2. Synthesis of mesoporous TiO2

2.3. Synthesis of TiO2 and AC/TiO2 by Sol-gel method

2.4. Synthesis of TiO2 GO by sol-gel method

2.5. Synthesis of TiO2 films on cordierite

2.6. Characterization of the catalysts

2.6.1. Morphology on the surface. Elemental surface composition and traces of impurities

2.6.2. Specific surface area, pore volume, and average pore size

2.6.3. Crystal structures formed and the crystallite diameter

2.6.4. UV-Vis DSR

2.6.5. High-performance liquid chromatography analysis

2.7. Experimental set up

2.7.1. To calculate the efficiency of photocatalytic process

2.7.2. Construct calibration curve of methyl orange solution

2.7.3. Calculation the concentration via equation

3. CHƯƠNG 3: RESULTS AND DISSCUSSIONS

3.1. Mesoporous TiO2 synthesized by precipitation and hydrothermal with CTAB and P123 surfactants

3.2. MO photocatalytic degradation of mesoporous TiO2 photocatalysts prepared by precipitation and hydrothermal methods with surfactants (CTAB and P123)

3.3. TiO2/AC catalyst synthesized using sol-gel method

3.4. Photocatalytic activity of the MO in water

3.5. GO-TiO2 catalysts by sol-gel method

3.6. MO photocatalytic degradation by TiO2 – GO

3.7. TiO2 films on Cordierite

3.8. TiO2 nanocatalysts thin film by the CVD method on various substrates

3.9. Phenol photocatalytic degradation

4. CHƯƠNG 4: CONCLUSIONS AND RECOMENDATONS

Tóm tắt

I. Tính cần thiết của nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước và đất là một trong những vấn đề nghiêm trọng hiện nay. Sự phát triển không đồng bộ của các khu công nghiệp đã dẫn đến ô nhiễm nguồn nước bởi các hợp chất hữu cơ độc hại như phenol và methyl da cam. Các nguồn ô nhiễm này chủ yếu đến từ ngành công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, thuốc trừ sâu và nhuộm. Việc xử lý các chất ô nhiễm này là một chủ đề nóng không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn cầu. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp phụ và xử lý sinh học thường không hiệu quả với các hợp chất khó phân hủy. Do đó, việc sử dụng xúc tác quang như TiO2 để xử lý nước ô nhiễm đã trở thành một giải pháp thân thiện với môi trường, sử dụng năng lượng mặt trời để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. TiO2 được nghiên cứu nhiều nhất do tính an toàn, chi phí thấp và khả năng oxi hóa mạnh mẽ.

II. Mục tiêu của nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là sản xuất các xúc tác quang TiO2 được cải tiến với carbon hoạt tính và graphene oxide, được phủ trên các vật liệu khác nhau để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, cụ thể là methyl da cam và phenol. Nghiên cứu cũng nhằm điều tra các thông số quy trình trong tổng hợp xúc tác, tìm ra các xúc tác tối ưu cho từng phương pháp tổng hợp, và chế tạo các màng mỏng xúc tác trên các nền khác nhau để phân hủy methyl da cam. Việc cải tiến xúc tác để đạt được kết quả tích cực trong điều kiện ánh sáng toàn phần cũng là một trong những mục tiêu quan trọng.

III. Nội dung của luận án

Luận án sẽ tiến hành tổng quan tài liệu về các nghiên cứu trước đó để lựa chọn phương pháp chế tạo xúc tác, vật liệu cải tiến xúc tác, kỹ thuật phủ và các chất ô nhiễm mô hình. Xúc tác quang TiO2 sẽ được tổng hợp bằng các phương pháp sol-gel, đồng kết tủa và thủy nhiệt. Sau đó, các xúc tác sẽ được cải tiến với carbon hoạt tính và graphene oxide, silica gel và được đặc trưng hóa bằng các phương pháp như hấp phụ vật lý, SEM, XRD, UV-Vis. Hoạt tính xúc tác của các xúc tác này sẽ được kiểm tra đối với methyl da cam và phenol trong điều kiện UV-C và ánh sáng toàn phần. Các thông số quy trình chính trong quá trình phân hủy phenol của các xúc tác tối ưu sẽ được đánh giá và thực hiện nghiên cứu động học cho quá trình này.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sẽ sử dụng phương pháp tổng quan tài liệu để thu thập dữ liệu liên quan đến các phương pháp chế tạo xúc tác, vật liệu cải tiến và kỹ thuật phủ. Các phương pháp tổng hợp xúc tác sẽ bao gồm sol-gel, đồng kết tủa và thủy nhiệt. Sau khi tổng hợp, các xúc tác sẽ được đặc trưng hóa bằng các phương pháp như SEM, XRD và UV-Vis để đánh giá cấu trúc và tính chất quang học. Hoạt tính xúc tác sẽ được kiểm tra thông qua các thí nghiệm phân hủy methyl da cam và phenol dưới ánh sáng UV và ánh sáng toàn phần. Các thông số quy trình sẽ được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất trong việc phân hủy các chất ô nhiễm này.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Việc phát triển các xúc tác quang hiệu quả từ TiO2 có thể giúp cải thiện khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy như phenol và methyl da cam. Điều này sẽ góp phần vào việc bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Hơn nữa, việc sử dụng các vật liệu như carbon hoạt tính và graphene oxide trong việc cải tiến xúc tác có thể mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ tài nguyên nước.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nguyen Trung Hieu RESEARCH INTO TiO2/AC, TiO2/GO SYNTHESIS AND COATING ON CORDIERITE CERAMIC APPLIED AS CATALYSTS FOR PHOTODEGRADATION OF METHYL ORANGE AND PHENOL DOCTORAL DISSERTATION IN CHEMICAL ENGINEERING Hanoi – 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nguyen Trung Hieu RESEARCH INTO TiO2/AC, TiO2/GO SYNTHESIS AND COATING ON CORDIERITE CERAMIC APPLIED AS CATALYSTS FOR PHOTODEGRADATION OF METHYL ORANGE AND PHENOL Major : Chemical Engineering Code No : 9520301 DOCTORAL DISSERTATION IN CHEMICAL ENGINEERING ADVISOR: Prof. Le Minh Thang Hanoi – 2022 GUARANTEE The study has been conducted at the School of Chemical Engineering (SCE), Germany and Vietnam catalyst research center (Gevicat), Hanoi University of Science and Technology (HUST). I affirm that this is my own research. The co-authors consented to the use of all the data and findings presented in the thesis and confirmed their veracity.

This study has not been published by anybody but me. Hanoi, Octorber 25th 2022 Thesis Advisor PhD student Prof. Le Minh Thang Nguyen Trung Hieu i ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my sincerest and heartfelt gratitude to the following people and organizations whose valuable contributions and assistances have made my research possible: To Hanoi University of Science and Technology, specifically to the School of Chemical Engineering, Department of Organic and Petrochemical Technology for providing the laboratory instruments and the equipment for me to accomplish my research. To - Catalyst Program, for letting me be an official member of the sponsored research on modified TiO2 synthesis and methyl orange and phenol photocatalytic degradation at Hanoi University (HUST) and National Taiwan University (NTU).

To my thesis adviser, Prof. Le Minh Thang, for giving me guidance and supervision as well as critiques and comments on my progress reports to bring me patience, finance, and power to finish this research. Jeffrey Chi-Sheng Wu, for allowing me to be a part of his research team under the RoHan Program and for training me in his Lab at NTU. To my family and friends who always try to encourage and motivate me during my thesis course, especially since it is the late gift for my father in heaven now.

ii TABLE OF CONTENTS GUARANTEE. ii TABLE OF CONTENTS. iii LIST OF ABREVIATIONS.vi LIST OF TABLES. vii LIST OF FIGURES.

Necessity of the study. Objectives of the study. Content of the thesis. Methodologies of the study.

Scope of the study. Scientific and practical meanings. Novelty of the study .Structure of the thesis. Textile industry and Methyl Orange dye.

Phenol in industry and its impact to the health. Titanium dioxide, TiO2. Principles of Precipitation, sol-gel and hydrothermal synthesis methods 13 1. Preparation of photocatalyst using sol-gel method.

Support and thin films .1 Overview of Cordierite .2 Mesoporous TiO2 and coating techniques .3 Catalyst Suspension and immobilization.6 TiO2/AC Materials .8 TiO2/GO Materials .9 MO photocatalytic degradation .10 Phenol photocatalysis degradation .38 iii CHAPTER 2 EXPERIMENTS .1 Materials and instruments .1 Synthesis of mesoporous TiO2. Synthesis of TiO2 and AC/TiO2 by Sol-gel method. Synthesis of TiO2 GO by sol-gel method. Synthesis of TiO2 films on cordierite .3 Characterization of the catalysts .1 Morphology on the surface.

Elemental surface composition and traces of impurities .3 Specific surface area, pore volume, and average pore size .4 Crystal structures formed and the crystallite diameter. UV-Vis DSR. High-performance liquid chromatography analysis .4 Experimental set up. To calculate the efficiency of photocatalytic process .1 Construct calibration curve of methyl orange solution.2 Calculation the concentration via equation.64 CHAPTER 3 RESULTS AND DISSCUSSIONS.

Mesoporous TiO2 synthesized by precipitation and hydrothermal with CTAB and P123 surfactants. MO photocatalytic degradation of mesoporous TiO2 photocatalysts prepared by precipitation and hydrothermal methods with surfactants (CTAB and P123). TiO2/AC catalyst synthesized using sol-gel method. Photocatalytic activity of the MO in water.

GO-TiO2 catalysts by sol-gel method .2 MO photocatalytic degradation by TiO2 – GO. TiO2 films on Cordierite. TiO2 nanocatalysts thin film by the CVD method on various substrates100 3. Phenol photocatalytic degradation .107 CHAPTER 4: CONCLUSIONS AND RECOMENDATONS .116 v LIST OF ABREVIATIONS Symbols Meaning UV Ultraviolet radiation MO methyl orange GO graphene oxide FTIR Fourier transform infrared spectroscopy SEM Scanning electron microscopy FE SEM Field Emission EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy P123 poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly (ethylene glycol) CNT carbon nanotube LPMOCVD Low pressure chemical vapor deposition AC activated carbon TTIP titanium tetraisopropoxide UV–VIS Ultraviolet- Visible HPLC High-performance liquid chromatography XRD X-ray diffraction BET Brunauer, Emmett and Teller SEM Scanning electron microscopy CTAB cetyl trimethyl ammonium bromide PEG polyethylene glycol vi LIST OF TABLES Table 1.

The General Mechanism of the Photocatalytic Reaction Process on TiO2 [49]. Summary of TiO2 and GO composites used as photocatalyst .1: List of chemicals .2: List of main instruments .3: Catalyst synthesized by hydrothermal and precipitation methods using surfactant.4 : AC to TiO2 Ratio with Corresponding Theoretical % Weight AC in AC/TiO2 catalyst .5: Catalysis films and powders synthesized by various methods with the low concetration of PEG.6: Catalyst films and powders synthesized by various methods with higher concentration of PEG.1: The surface characteristics of catalysts synthesized by hydrothermal and precipitation methods .2: Crystalline sizes of catalysts .3: Surface area of two samples by sol-gel synthesis .4: Crystalline sizes of catalysts .5: Surface area of GO-TiO2 catalysts .6: Crystalline sizes of catalysts .7: Effect of ratio mol TTIP:H2O to the catalyst mass coated .8: Catalysts films coated cordierite .9: Apparent first-order rate constant kapp and correlation coefficient R2 for phenol degradation by catalysts synthesized by various methods .10: Apparent first-order rate constant kapp and correlation coefficient R2 for phenol degradation with various initial concentrations by P123-C25-450 catalyst .11: Apparent first-order rate constant kapp and correlation coefficient R2 for phenol degradation by P123-C25-450 catalyst with various concentrations H2O2 .12: Apparent first-order rate constant kapp and correlation coefficient R2 for phenol degradation in visible light condition .113 vii LIST OF FIGURES Fig.1: Chemical structure of MO molecule [33,34] .2: TiO2 Crystal Structures[44] .3: The mechanism of photocatalytic activity of TiO2 [50] .4: Nanocrystalline Metal Oxide Preparation using Sol-Gel method .5: Structures of graphene, C60, CNT and graphite [109] .6: Structure of GO [110] .7: Possible mechanism of MO with TiO2 [142] .8: Production Distributions from Phenol Decomposition Reaction [152]. Flowchart of TiO2 synthesis using CTAB. Flowchart of TiO2 synthesis using P123.3: Flowchart of GO synthesis .4: Flowchart of GO-TiO2 (GO-ZnO) synthesis .5: Dip-coating TiO2 on the surface of cordierite.6: Experimental LPCVD set-up.7: Simplified internal structure of FESEM.8: Energy band diagram of a semiconductor (Zeghbroeck, 2007).9: Principle diagram of a HPLC system.10a: Photocatalytic exerimental setup with UV-C lamp .10 b: Principle diagram of visible photocatalytic exerimental setup.1: Nitrogen isotherm of CTAB-NE and P123 C25-450.2: Pore size distribution of CTAB-NE and P123 C25-450.3: XRD paterns of catalysts synthesized with surfactants CTAB and P123 .4: FE-SEM images of CTAB-H (a) and P123 C25-450 (b).5: Evaluation of the catalysts using CTAB by two hydrothermal and precipitation methods .6: The influence of citric acid amount to catalyst performance .7:The influence of Ethanol elimination method to catalyst performance .8: Comparing the best catalyst via hydrothermal and precipitation .9: Nitrogen isotherm of SG TiO2 and SG AC1200 TiO2 1/18 .10: Pore size distribution of SG TiO2 and SG AC1200 TiO2 1/18.11: Morphology of SG AC-1200/Ti 1/18 (a) and SG AC-1200/Ti 3/1 (b) .12: EDX analysis results of samples: SG AC-1200/Ti 1/18 (a); SG AC-1200/Ti 2/1 (b);.13: XRD result of AC TiO2 catalysts .14: MO dark adsorption of AC.15: MO photodegration is affected by activated carbon category.16: MO photodegradation via time of catalyst samples at pH=7.17: MO photodegrdation of samples at pH= 4.18: MO photodegradation of samples at pH= 10.19: Comparison the MO photodegradation SG AC1200 Ti/1/18 by pH.20: Nitrogen isotherm of G1/4, G1/18, G1/24.21: Pore distribution of SGGO Ti1/4, SG GO Ti1/18,SG GO Ti1/24 .22: XRD analysis of GO catalyst.23: The effect of GO content to MO photocatalytic degradation .24: Photodegradation of TiO2 GO catalysts with MO concentration 20 ppm in the full range Xenon lamp .25 Photodegradation of SG GO Ti/ 1/18 MO for various concentration .26: (a) SEM Cor-gel-200 and (b) SEM Cor-gel-CTAB .27: Investigate the efficiency of catalyst thin films by dip coating with low concentration of PEG .28: SEM characterization: (a) Cor-CTAB, (b) Corgel 200 (c) Cor-P123.29: SEM characterization of 2 samples Corgel-150AC (a) and Cor-P123 (b) after the first reaction.30: The photocatalytic degradation of four samples Corgel-150, Corgel-150AC, Corgel-200 and AC-gel powder .31: Surface of Corgel-150 (left) and Corgel-150AC (right) after reaction .33: Photocatalytic performance of-P123 and Cor-P123 samples .34: MO Photodegradation by CTAB powder and Cor-CTAB.35: MO Photodegradation with three TiO2 films coated on cordierite .36: The TiO2 film performance in the first and second times.37: SEM characterization of TiO2 on the surface of (a) glass, (b) aluminium, (c) cordierite with 25,000 magnification; SEM characterization of TiO2 on the surface of ix (d) glass, (e) aluminum and (f) ceramic with 100,000 magnification.

EDS characterization of TiO2 on the surface (g) glass, (h) aluminum and (i) c cordierite.38: 10x Microscopy of TiO2 (a) 120oC; (b) 150oC; (c) 200oC; (d) 250oC; (e) 300oC.39: 10x Microscopy of TiO2 thin film on glass substrate at 580 mm-bar pressure at position opposite (a) and next (b) nozzle.40: 10x Microscopy of TiO2 thin film on glass substrate at 700 mm-bar pressure at position opposite (a) and next (b) nozzle.41: 10x Microscopy of TiO2 thin film on glass substrate with carrying gas N2 300 ml/min.42: Visual image of TiO2 thin film on various substrates.43: 10x Microscopy of TiO2 thin film on various substrates .44: TiO2 thin film performance for MO photodegradation with UV-C.45: TiO2 thin film performance for MO photodegradation with full range lamp .46: Phenol degradation evaluation and kinetics study in UV light.47: Effect of the initial concentration to the phenol degradation in UV condition and kinetics study by P123-C25-450 .48: Effect of H2O2 loading and kinetics study in phenol degradation process.49: Phenol degradation process and kinetics study in visible light. Necessity of the study Soil and groundwater resource pollution are serious concerns in our nation. One of the unavoidable effects of uncoordinated economic zone growth is the contamination of water sources with heavy metals and harmful, persistent organic compounds such as phenol and its derivatives. The primary sources of phenol and phenol polluting compounds are the manufacture of synthetic plastics, insecticides, paints, and petroleum [1].

Additionally, the textile sector emits a significant number of harmful chemical compounds into the atmosphere, including azo-based dyes, one of which is methyl orange. As a result, the remediation of contaminated environments with two chemical compounds as phenol and methyl orange, is a hot topic not only in the nation, but also globally. Historically, remediation of polluted water has been mostly dependent on physicochemical and biological treatment approaches. Among these, adsorption is one of the most frequently used strategies for treating chemical contaminants in water due to its ease of use and the broad application of a variety of adsorbents.

Another workable solution is biological treatment, which may eliminate around 90% of organic debris entirely. However, this procedure is less efficient for compounds that are difficult to decompose, such as phenol and methyl orange. Numerous extensive research studies have been undertaken to process the aforementioned chemicals, which include electrochemical methods, ion exchange, ozone, and adsorption on activated carbon [2, 3]. In the other hand, these approaches are rarely used in reality due to their inherent constraints, which include heavy equipment systems, complex operation techniques, high initial and ongoing expenditures, and birth abnormalities.

It must include a sludge post-treatment step, otherwise the efficiency will remain poor results. Using photocatalysts to treat polluted water is one of the most environmentally friendly green treatment methods available, since it employs natural solar energy and is capable of degrading organic contaminants that are difficult to decompose. Without the addition of extra chemicals or sludge buildup in the treatment system [4].

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

Bài luận án tiến sĩ mang tiêu đề "Nghiên cứu tổng hợp TiO2, α-TiO2-GO và ứng dụng trong gốm cordierite làm xúc tác cho quang phân hủy metyl da cam và phenol" của tác giả Nguyễn Trung Hiếu, dưới sự hướng dẫn của GS. Lê Minh Thắng, trình bày một nghiên cứu sâu sắc về việc sử dụng các vật liệu TiO2 trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc tổng hợp các vật liệu mới mà còn khám phá ứng dụng của chúng trong việc phân hủy các chất ô nhiễm như metyl da cam và phenol, từ đó mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước thải.

Độc giả có thể tìm hiểu thêm về các nghiên cứu liên quan đến TiO2 và ứng dụng của nó trong lĩnh vực hóa học qua bài viết "Tính chất xúc tác quang của vật liệu composite TiO2 trên nền graphene và carbon nitride". Bài viết này cũng đề cập đến các tính chất quang học của TiO2, giúp độc giả có cái nhìn sâu hơn về khả năng ứng dụng của vật liệu này.

Ngoài ra, bài viết "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Cu2O-TiO2-RGO và đánh giá hoạt tính quang xúc tác" cũng sẽ cung cấp thêm thông tin về các nghiên cứu tương tự trong lĩnh vực xúc tác quang, mở rộng kiến thức về các vật liệu mới có khả năng xử lý ô nhiễm.

Cuối cùng, bài viết "Nghiên cứu sử dụng điện cực cacbon biến tính bằng graphen oxit để xác định hợp chất hữu cơ" sẽ giúp độc giả hiểu rõ hơn về các phương pháp phân tích và ứng dụng của vật liệu carbon trong hóa học, liên quan đến việc phát triển các công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm.

Những tài liệu này không chỉ bổ sung cho nghiên cứu của bạn mà còn mở rộng hiểu biết về các ứng dụng của TiO2 và các vật liệu liên quan trong lĩnh vực hóa học và môi trường.