Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phân hủy phẩm màu hữu cơ trong môi trường nước bằng vật liệu quang xúc tác zno nano sio2

Nghiên cứu phân hủy phẩm màu hữu cơ trong nước bằng vật liệu quang xúc tác ZnO nano SiO2, mang lại giải pháp hiệu quả cho ô nhiễm môi trường.

• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Bảng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Phân hủy phẩm màu hữu cơ bằng ZnO nano/SiO2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về phẩm màu hữu cơ
• 1.2. Ảnh hưởng phẩm màu đến môi trường
• 1.3. Tổng quan về xanh metylen
• 1.3.1. Khái quát về xanh metylen
• 1.4. Một số kết quả nghiên cứu hấp phụ xanh metylen
• 1.5. Một số vấn đề cơ bản về xúc tác quang hóa
• 1.5.1. Khái niệm về xúc tác quang hóa
• 1.5.2. Đặc trưng cấu trúc của ZnO
• 1.5.3. Khái quát về cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn
• 1.5.4. Hoạt tính quang xúc tác của ZnO
• 1.5.5. Ứng dụng của vật liệu nano ZnO
• 1.5.6. Một số phương pháp điều chế ZnO
• 1.5.6.1. Phương pháp kết tủa
• 1.5.6.2. Phương pháp sol – gel
• 1.5.6.3. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.5.7. Vật liệu compozit ZnO/SiO2
• 1.5.8. Tổng quan các phương pháp thu SiO2 từ trấu
• 1.5.9. Phương pháp sol – gel chế tạo vật liệu tổ hợp quang xúc tác trên chất mang
• 1.6. Dụng cụ và hóa chất
• 1.7. Đối tượng nghiên cứu
• 1.8. Quy trình tổng hợp vật liệu
• 1.8.1. Tổng hợp SiO2 từ trấu
• 1.8.2. Tổng hợp ZnO
• 1.8.3. Tổng hợp ZnO/SiO2
• 1.9. Một số phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc và tính chất vật liệu
• 1.10. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả quang xúc tác của compozit ZnO/SiO2 phân hủy xanh metylen trong ánh sáng trông thấy
• 1.10.1. Lựa chọn nguồn chiếu sáng
• 1.10.2. Phương pháp xác định nồng độ chất màu xanh metylen
• 1.10.3. Thực nghiệm khảo sát hoạt tính quang xúc tác của vật liệu ZnO nano/SiO2 để phân hủy xanh metylen
• 1.10.4. Khảo sát khả năng xúc tác của các mẫu compozit ZnO/SiO2
• 1.10.5. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình quang phân hủy xanh metylen
• 1.10.6. Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất xúc tác đến quá trình quang phân hủy xanh metylen
• 1.10.7. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen đến quá trình quang phân hủy xanh metylen
• 1.10.8. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác ZnO/SiO2
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Bảng. Bảng 1. Thế oxi hóa khử của một số tác nhân oxi hóa
• Bảng. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy của ZnO đối với một số chất ô nhiễm hữu cơ
• Bảng. Giá trị mật độ quang đo được từ nồng độ tương ứng
• Bảng. Ảnh hưởng tỉ lệ ZnO và SiO2 đến hiệu suất xử lý xanh metylen
• Bảng. Thành phần khối lượng các nguyên tố có trong mẫu ZnO/SiO2
• Bảng. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2
• Bảng. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2
• Bảng. Ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2
• Bảng. Hiệu suất xử lý xanh metylen qua các lần tái sử dụng xúc tác ZnO/SiO2

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân hủy phẩm màu hữu cơ bằng ZnO nano SiO2

Phân hủy phẩm màu hữu cơ là một trong những thách thức lớn trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước. Các phẩm màu hữu cơ thường khó phân hủy sinh học và có thể gây hại cho hệ sinh thái. Việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu quang xúc tác như ZnO nano/SiO2 đã mở ra hướng đi mới trong việc xử lý các chất ô nhiễm này. ZnO nano/SiO2 không chỉ có khả năng phân hủy hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường.

1.1. Đặc điểm của phẩm màu hữu cơ và tác động đến môi trường

Phẩm màu hữu cơ thường có cấu trúc phức tạp và bền vững, dẫn đến khả năng phân hủy thấp trong môi trường tự nhiên. Chúng có thể gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho nguồn nước, ảnh hưởng đến sự sống của các sinh vật thủy sinh. Nghiên cứu cho thấy rằng các phẩm màu này có thể gây ra các vấn đề sức khỏe cho con người khi tiếp xúc với nồng độ cao.

1.2. ZnO nano SiO2 Vật liệu quang xúc tác tiềm năng

ZnO nano/SiO2 là một trong những vật liệu quang xúc tác được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Với cấu trúc nano, ZnO có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất phân hủy phẩm màu hữu cơ. Sự kết hợp với SiO2 không chỉ tăng cường tính ổn định mà còn cải thiện khả năng xúc tác quang.

II. Vấn đề ô nhiễm nước do phẩm màu hữu cơ

Ô nhiễm nước do phẩm màu hữu cơ đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Các chất này không chỉ gây ra sự thay đổi màu sắc của nước mà còn ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe của các sinh vật sống trong đó. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm này là rất cần thiết.

2.1. Nguyên nhân và nguồn gốc ô nhiễm phẩm màu hữu cơ

Các phẩm màu hữu cơ thường được sử dụng trong ngành công nghiệp dệt nhuộm, sơn, và hóa chất. Khi thải ra môi trường, chúng có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng. Nguồn gốc ô nhiễm chủ yếu đến từ các nhà máy sản xuất và các hoạt động nông nghiệp.

2.2. Tác động của ô nhiễm phẩm màu đến sức khỏe con người

Ô nhiễm phẩm màu hữu cơ có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe, bao gồm các bệnh về da, hô hấp và thậm chí là ung thư. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số phẩm màu có thể gây ra tác động xấu đến hệ thần kinh và hệ miễn dịch của con người.

III. Phương pháp phân hủy phẩm màu hữu cơ bằng ZnO nano SiO2

Phương pháp phân hủy phẩm màu hữu cơ bằng ZnO nano/SiO2 đã được chứng minh là hiệu quả trong nhiều nghiên cứu. Quá trình này sử dụng ánh sáng để kích hoạt các phản ứng quang hóa, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm không độc hại.

3.1. Cơ chế hoạt động của ZnO nano SiO2 trong phân hủy phẩm màu

Khi ZnO nano/SiO2 được chiếu sáng, nó tạo ra các electron và lỗ trống, dẫn đến sự hình thành các gốc tự do. Các gốc tự do này có khả năng tấn công và phân hủy các phân tử phẩm màu hữu cơ, chuyển hóa chúng thành các sản phẩm vô hại.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy

Hiệu suất phân hủy phẩm màu hữu cơ bằng ZnO nano/SiO2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nồng độ chất xúc tác, và cường độ ánh sáng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể nâng cao hiệu suất phân hủy đáng kể.

IV. Kết quả nghiên cứu về phân hủy phẩm màu hữu cơ

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng ZnO nano/SiO2 có khả năng phân hủy hiệu quả các phẩm màu hữu cơ như xanh metylen. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn có thể tái sử dụng nhiều lần.

4.1. Hiệu quả phân hủy xanh metylen bằng ZnO nano SiO2

Nghiên cứu cho thấy rằng ZnO nano/SiO2 có thể phân hủy xanh metylen đến 90% trong điều kiện tối ưu. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc xử lý ô nhiễm nước.

4.2. Khả năng tái sử dụng của ZnO nano SiO2

ZnO nano/SiO2 có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất phân hủy. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu lượng chất thải phát sinh từ quá trình xử lý.

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

Nghiên cứu về phân hủy phẩm màu hữu cơ bằng ZnO nano/SiO2 đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước. Với những ưu điểm vượt trội, vật liệu này có thể trở thành giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ô nhiễm hiện nay.

5.1. Tương lai của nghiên cứu về ZnO nano SiO2

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của ZnO nano/SiO2 thông qua việc kết hợp với các vật liệu khác hoặc tối ưu hóa quy trình sản xuất. Điều này sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng của vật liệu trong thực tiễn.

5.2. Ứng dụng thực tiễn của ZnO nano SiO2 trong xử lý nước

ZnO nano/SiO2 có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do phẩm màu hữu cơ ngày càng trở nên nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Theo ước tính, khoảng 37% thuốc nhuộm gây độc vừa đến độc cho cá và thủy sinh, trong khi 2% thuốc nhuộm có mức độ rất độc và cực độc. Màu đậm của nước thải làm cản trở hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp và sinh trưởng của các loài thủy sinh vật. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp xử lý triệt để phẩm màu hữu cơ trong môi trường nước là cấp thiết. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển vật liệu quang xúc tác ZnO nano/SiO2 nhằm phân hủy hiệu quả phẩm màu xanh metylen trong môi trường nước dưới ánh sáng nhìn thấy. Nghiên cứu được thực hiện tại Hà Nội trong năm 2017, tập trung vào tổng hợp, đặc trưng vật liệu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải chứa phẩm màu hữu cơ, đồng thời mở rộng ứng dụng vật liệu quang xúc tác trong xử lý môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết xúc tác quang hóa bán dẫn, trong đó ZnO là chất bán dẫn có năng lượng vùng cấm khoảng 3,3 eV, có khả năng hấp thụ tia cực tím và một phần ánh sáng nhìn thấy. Khi bị kích thích bởi photon có năng lượng lớn hơn vùng cấm, ZnO tạo ra cặp electron - lỗ trống quang sinh, từ đó sinh ra các gốc tự do hydroxyl (OH·) và super oxit (O2·-) có khả năng oxy hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ như phẩm màu xanh metylen. Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood được áp dụng để mô tả quá trình xúc tác quang phân hủy. Ngoài ra, vật liệu compozit ZnO/SiO2 được nghiên cứu nhằm mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng diện tích bề mặt xúc tác, cải thiện hiệu suất quang xúc tác.

Ba khái niệm chính bao gồm:

• Vùng cấm năng lượng (band gap) của ZnO và ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng.
• Cơ chế tạo gốc hoạt động trên bề mặt vật liệu bán dẫn.
• Động học phản ứng quang xúc tác theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu ZnO nano và SiO2 từ trấu, sau đó tổng hợp compozit ZnO/SiO2 theo các tỉ lệ 1:2, 1:3 và 1:5 bằng phương pháp sol-gel. Đặc trưng vật liệu được xác định bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ phân tích tán xạ năng lượng tia X (EDX) và phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS). Phương pháp phân tích gồm đo mật độ quang của dung dịch xanh metylen tại bước sóng 650 nm để xác định nồng độ còn lại sau phản ứng. Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH, lượng chất xúc tác, nồng độ xanh metylen và khả năng tái sử dụng vật liệu được tiến hành trong điều kiện ánh sáng ổn định từ đèn compact 36W. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 3 tỉ lệ vật liệu compozit, mỗi thí nghiệm lặp lại ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2017 tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng tỉ lệ ZnO/SiO2 đến hiệu suất phân hủy xanh metylen:
   Vật liệu compozit ZnO/SiO2 với tỉ lệ 1:5 đạt hiệu suất phân hủy cao nhất 90,04% sau 180 phút, vượt trội so với tỉ lệ 1:2 (87,28%) và 1:3 (88,19%). Điều này cho thấy tăng hàm lượng SiO2 giúp cải thiện diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.

2. Đặc trưng cấu trúc vật liệu:
   XRD xác định ZnO tồn tại ở dạng tinh thể lục phương kiểu wurtzit với kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm. SiO2 ở dạng vô định hình không tạo ra pic đặc trưng trên phổ XRD. SEM cho thấy kích thước hạt đồng đều từ 12 đến 25 nm, phù hợp với kết quả tính toán Debye-Scherrer. Phổ EDX xác nhận sự hiện diện của Zn, Si và O với tỉ lệ khối lượng lần lượt 22,98%, 28,50% và 48,52%.

3. Ảnh hưởng pH dung dịch:
   pH tối ưu cho quá trình phân hủy là 10, với hiệu suất đạt 90,85% sau 180 phút. Ở pH này, bề mặt ZnO/SiO2 mang điện tích âm, thuận lợi cho việc hấp phụ xanh metylen dạng cation, đồng thời cung cấp nhiều ion hydroxyl để tạo gốc OH· tăng tốc độ oxy hóa.

4. Ảnh hưởng lượng chất xúc tác:
   Khi tăng lượng xúc tác từ 0,02 g đến 0,06 g trong 100 ml dung dịch, hiệu suất phân hủy tăng từ 67,55% lên 94,19%. Tuy nhiên, vượt quá 0,06 g, hiệu suất giảm nhẹ do hiện tượng cản quang và giảm khả năng chiếu sáng đến bề mặt xúc tác.

5. Ảnh hưởng nồng độ xanh metylen:
   Hiệu suất phân hủy giảm khi nồng độ xanh metylen tăng từ 10 ppm (91,49%) lên 25 ppm (78,84%) do số lượng gốc hoạt động không đổi trong khi lượng chất ô nhiễm tăng, gây bão hòa bề mặt xúc tác và giảm hiệu quả.

6. Khả năng tái sử dụng vật liệu:
   Sau 3 lần tái sử dụng, hiệu suất phân hủy chỉ giảm nhẹ từ 90,90% xuống còn 89,10%, chứng tỏ vật liệu ZnO/SiO2 có độ bền và khả năng tái sử dụng cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất cao của vật liệu ZnO/SiO2 tỉ lệ 1:5 được giải thích bởi sự gia tăng diện tích bề mặt xúc tác và khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy do SiO2 tạo liên kết Zn-O-Si làm giảm năng lượng vùng cấm. Kết quả pH tối ưu phù hợp với điểm đẳng điện của ZnO (~9 ± 0,3), khi pH > pHpzc, bề mặt mang điện tích âm thuận lợi cho hấp phụ thuốc nhuộm cation. Mức độ giảm hiệu suất khi tăng nồng độ xanh metylen tương đồng với các nghiên cứu trước, do hiện tượng bão hòa bề mặt và cản quang. Khả năng tái sử dụng tốt của vật liệu cho thấy tính ổn định cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác, phù hợp cho các hệ xử lý nước thải liên tục. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy theo thời gian, pH, lượng xúc tác và nồng độ thuốc nhuộm, cùng bảng thành phần nguyên tố và kích thước hạt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỉ lệ ZnO/SiO2: Khuyến nghị sử dụng tỉ lệ 1:5 để đạt hiệu suất phân hủy cao nhất, áp dụng trong các hệ xử lý nước thải chứa phẩm màu hữu cơ. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để triển khai quy mô pilot.

2. Điều chỉnh pH môi trường: Duy trì pH khoảng 10 trong quá trình xử lý để tăng khả năng hấp phụ và phân hủy thuốc nhuộm, có thể sử dụng các chất điều chỉnh pH phù hợp. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành.

3. Kiểm soát lượng xúc tác: Sử dụng lượng xúc tác khoảng 0,06 g/100 ml dung dịch để tối ưu hiệu suất và tiết kiệm chi phí vật liệu. Thời gian thực hiện: áp dụng ngay trong quy trình xử lý.

4. Phát triển quy trình tái sử dụng xúc tác: Xây dựng quy trình rửa và tái sử dụng vật liệu ZnO/SiO2 nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững của công nghệ. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng nghiên cứu và thử nghiệm.

5. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến nghị nghiên cứu thêm khả năng phân hủy các loại phẩm màu hữu cơ khác và các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp trong nước thải công nghiệp. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu quang xúc tác ZnO/SiO2, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp xử lý nước thải công nghiệp: Áp dụng công nghệ quang xúc tác ZnO/SiO2 để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chứa phẩm màu hữu cơ, giảm chi phí vận hành.

3. Cơ quan quản lý môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách và hướng dẫn kỹ thuật xử lý ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và các ngành công nghiệp liên quan.

4. Các nhà sản xuất vật liệu nano và xúc tác: Nghiên cứu giúp cải tiến quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu ZnO/SiO2 trong lĩnh vực xử lý môi trường và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu ZnO/SiO2 có ưu điểm gì so với ZnO nguyên chất?
   ZnO/SiO2 mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, tăng diện tích bề mặt xúc tác và cải thiện hiệu suất phân hủy phẩm màu lên đến 90%, cao hơn ZnO nguyên chất.

2. Tại sao pH ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy?
   pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt xúc tác và trạng thái ion của thuốc nhuộm, pH ~10 giúp bề mặt ZnO/SiO2 mang điện tích âm thuận lợi cho hấp phụ thuốc nhuộm cation như xanh metylen.

3. Lượng xúc tác tối ưu là bao nhiêu?
   Lượng xúc tác 0,06 g trên 100 ml dung dịch được xác định là tối ưu, tăng hiệu suất phân hủy lên đến 94%, vượt quá lượng này gây cản quang và giảm hiệu quả.

4. Khả năng tái sử dụng vật liệu như thế nào?
   Vật liệu ZnO/SiO2 giữ được trên 89% hiệu suất sau 3 lần tái sử dụng, giảm không đáng kể, cho thấy tính bền vững và kinh tế trong ứng dụng thực tế.

5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại phẩm màu khác không?
   Có thể, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để điều chỉnh điều kiện phản ứng phù hợp với từng loại phẩm màu và môi trường nước thải cụ thể.

Kết luận

• Vật liệu quang xúc tác ZnO nano/SiO2 tỉ lệ 1:5 đạt hiệu suất phân hủy xanh metylen cao nhất 90,04% sau 180 phút dưới ánh sáng nhìn thấy.
• pH tối ưu cho quá trình phân hủy là 10, lượng xúc tác tối ưu là 0,06 g/100 ml dung dịch.
• Vật liệu có kích thước hạt nano đồng đều (~15 nm), cấu trúc tinh thể wurtzit, SiO2 ở dạng vô định hình.
• Khả năng tái sử dụng vật liệu tốt, hiệu suất giảm không đáng kể sau 3 lần sử dụng.
• Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp chứa phẩm màu hữu cơ.

Khuyến nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời phát triển quy trình tái sử dụng vật liệu để tối ưu chi phí và hiệu quả xử lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH CÔNG ĐỒNG NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY PHẨM MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BẰNG VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ZnO nano/SiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 i TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐINH CÔNG ĐỒNG NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY PHẨM MÀU HỮU CƠ TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC BẰNG VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ZnO nano/SiO2 Chuyên ngành : Hóa môi trƣờng Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Nguyễn Đình Bảng Hà nội – 2017 ii TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LỜI CẢM ƠN Trƣớc hế t , tôi xin đƣơ ̣c bảy tỏ lòng kính trọng và biế t ơn sâu sắ c tới PGS .TS Nguyễn Điǹ h Bảng – Trƣờng Đa ̣i ho ̣c Khoa ho ̣c Tƣ̣ nhiên – ĐHQGHN đã gi ao đề tài và tâ ̣n tiǹ h hƣớng dẫ n tôi trong suố t quá trin ̀ h nghiên cƣ́u và hoàn thành luâ ̣n văn. Tôi xin đƣơ ̣c chân thành cảm ơn các thầy , cô trong bô ̣ môn Hóa môi trƣờng và khoa Hóa ho ̣c – Trƣờng Đa ̣i ho ̣c Khoa ho ̣c Tƣ̣ nhiên đã ta ̣o điề u kiê ̣n giúp đỡ tôi trong quá trình ho ̣c tâ ̣p và thƣ̣c hiê ̣n luâ ̣n văn. Cuố i cùng tôi xin gƣ̉i lời cảm ơn tới gia đin ̀ h ngƣời thân và bạn bè đã luôn bên ca ̣nh đô ̣ng viên tôi trong suố t thời gian hoàn thành khóa học cũng nhƣ luận văn nay Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 19 tháng 10 năm 2017 Học viên Đinh Công Đồ ng i TIEU LUAN MOI download : [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU.

1 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN. Tổng quan về phẩm màu hữu cơ. Ảnh hƣởng phẩm màu đến môi trƣờng. Tổng quan về xanh metylen.

Khái quát về xanh metylen. Một số kết quả nghiên cứu hấp phụ xanh metylen. Một số vấn đề cơ bản về xúc tác quang hóa. Khái niệm về xúc tác quang hóa.

Đặc trƣng cấu trúc của ZnO. Khái quát về cơ chế xúc tác quang trên chất bán dẫn. Hoạt tính quang xúc tác của ZnO. Ứng dụng của vật liệu nano ZnO.

Một số phƣơng pháp điều chế ZnO. Phƣơng pháp kết tủa. Phƣơng pháp sol – gel. Phƣơng pháp thủy nhiệt.

Vật liệu compozit ZnO/SiO2. Tổng quan các phƣơng pháp thu SiO2 từ trấu. Phƣơng pháp sol – gel chế tạo vật liệu tổ hợp quang xúc tác trên chất mang. Dụng cụ và hóa chất.

Đối tƣợng nghiên cứu. Quy trình tổng hợp vật liệu. Tổng hợp SiO2 từ trấu. 22 ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Tổ ng hơ ̣p ZnO. Tổng hợp ZnO/SiO2. Một số phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc và tính chất vật liệu. Thƣ̣c nghiê ̣m đánh giá hiê ̣u quả quang xúc tác của compozit ZnO /SiO2 phân hủy xanh metylen trong ánh sáng trông thấy.

Lƣ̣a cho ̣n nguồ n chiế u sáng. Phƣơng pháp xác định nồng độ chất màu xanh metylen. Thƣ̣c nghiê ̣m khảo sát hoa ̣t tin ́ h quang xúc tác của vâ ̣t liê ̣u ZnO nano/SiO2 để phân hủy xanh metylen. Khảo sát khả năng xúc tác của các mẫu compozit ZnO /SiO2.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến quá trình quang phân hủy xanh metylen. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣơ ̣ng chấ t xúc tác đế n quá trin ̀ h quang phân hủy xanh metylen. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ xanh met ylen đế n quá trình quang phân hủy xanh metylen. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác ZnO /SiO2.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Ảnh hƣởng của tỉ lệ ZnO và SiO 2 trong vâ ̣t liê ̣u compozit ZnO /SiO2 đến khả năng xúc tác quang xử lý xanh metylen. Đặc trƣng cấu trúc của vật liệu ZnO nano /SiO2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD).

Ảnh SEM của vật liệu ZnO/SiO2. Phổ EDX của vật liệu ZnO/SiO2. Phổ UV – VIS. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣớng đến khả năng quang xúc tác của vật liệu ZnO/SiO2 phân hủy chất màu xanh metylen dƣới ánh sáng trông thấy.

Khảo sát ảnh hƣởng pH của dung dịch. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất xúc tác đến quá trình phân hủy xanh metylen .36 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ xanh metylen đến quá trình phân hủy xanh metylen. Khả năng tái sử dụng của vật liệu.

42 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 43 iv TIEU LUAN MOI download : [e-mail] PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1. Thế oxi hóa khƣ̉ của mô ̣t số tác nhân oxi hóa. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy của ZnO đối với một số chất ô nhiễm hƣ̃u cơ.

Giá trị mật độ quang đo đƣợc từ nồng độ tƣơng ứng. Ảnh hƣởng tỉ lệ ZnO và SiO2 đến hiệu suất xử lý xanh metylen. Thành phần khối lƣợng các nguyên tố có trong mẫu ZnO/SiO2. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất xƣ̉ lý xanh metylen của vâ ̣t liê ̣u ZnO/SiO2.

Ảnh hƣởng của khối lƣợng chất xúc tác đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2. Ảnh hƣởng của nồng độ xanh metylen đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2. Hiê ̣u suấ t xƣ̉ lý xanh metylen qua các lầ n tái sƣ̉ du ̣ng xúc tác ZnO /SiO2 40 v TIEU LUAN MOI download : [e-mail] PHỤ LỤC HÌNH Hình 1. Công thức hóa học của xanh metylen.

Dạng oxy hóa và khử của xanh metylen. Năng lƣơ ̣ng vùng cấ m của mô ̣t số chấ t bán dẫn thông thƣờng. Cấ u trúc ô ma ̣ng cơ sở tinh thể lu ̣c phƣơng ZnO kiể u wurtzit. Cấ u trúc ô ma ̣ng cơ sở tinh thể lâ ̣p phƣơng ZnO kiể u halit.

cấ u trúc ô ma ̣ng cơ sở tinh thể lâ ̣p phƣơng ZnO kiể u sphaterit. Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi bị chiếu sáng. Cơ chế ta ̣o gố c hoa ̣t đô ̣ng trên bề mă ̣t vâ ̣t liê ̣u bán dẫn. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn.

Một số dạng thù hình của ZnO: (a) Hình hoa; (b) Hình que; (c,d) Hình dây. Sơ đồ quy triǹ h thu hồi SiO2. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ xanh metylen dựa vào mật độ quang. Hiê ̣u suấ t phản ƣ́ng của các mẫu ZnO/SiO2 với tỉ lê ̣ ZnO với SiO2 khác nhau.

Giản đồ XRD của vật liệu ZnO/SiO2. Ảnh SEM vật liệu ZnO/SiO2. Phổ EDX của vật liệu ZnO/SiO2. Phổ UV – VIS của ZnO và ZnO/SiO2.

Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến hiệu suất xử lý xanh metylen. Ảnh hƣởng khối lƣợng chất xúc tác đến hiê ̣u suấ t xƣ̉ lí. Ảnh hƣởng của nồng độ xanh metylen đến hiệu suất xử lý xanh metylen của vật liệu ZnO/SiO2 .9 Khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác ZnO nano/SiO2 .40 vi TIEU LUAN MOI download : [e-mail] BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABS : Mật độ quang CB : Vùng dẫn (Conductuion Band) Eg : Năng lƣơ ̣ng vùng cấ m (Band gap Energy) LD50 : Liề u lƣơ ̣ng gây chế t trung bình (medium letalisdosis) RNA : Axit ribonucleic SEM : Phƣơng pháp hiể n vi điê ̣n tƣ̉ quét (Scaning Electron Microcopy) XRD : Nhiễu xa ̣ tia X (X Rays Diffraction) VB : Vùng hóa trị (Valence Band) vii TIEU LUAN MOI download : [e-mail] MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của nền kinh tế – xã hội , ô nhiễm môi trƣờng nói chung và môi trƣờng nƣớc nói riêng là hê ̣ quả không thể tránh khỏi. Đặc biệt là sƣ̣ ô nhiễm bởi các chất hữu cơ đang ngày càng trở nên nghiêm trọng.

Trong số các chấ t đô ̣c ha ̣i thải ra môi trƣờng , đáng chú ý là nhƣ̃ng phẩ m màu hƣ̃u cơ , chúng là các chấ t tƣơng đố i bề n vƣ̃ng , khó bị phân hủy sinh học , lan truyề n và tồ n lƣu mô ṭ thời gian dài trong môi trƣờng. Do vâ ̣y , viê ̣c nghiên cƣ́u cách xƣ̉ lí triê ̣t để phẩ m màu hƣ̃u cơ trong môi trƣờng bi ̣ô nhiễm luôn là mố i quan tâm hàng đầ u của mỗi quố c gia và đă ̣c biê ̣t có ý nghiã quan tro ̣ng đố i với cuô ̣c số ng hi ện tại và tƣơng lai của con ngƣời. Để xƣ̉ lý các phẩ m màu hƣ̃u cơ đó , ngƣời ta kế t hơ ̣p nhiề u phƣơng pháp xƣ̉ lý khác nhau nhƣ hấp phụ , sinh ho ̣c, oxy hóa ,. tùy thuộc vào dạng tồn tại cụ thể của các chất gây ô nhiễm.

Trong đó, phƣơng pháp oxi hóa các hơ ̣p chấ t hƣ̃u cơ bằ ng cách sử dụng xúc tác quang đang thu hút sự nghiên cứu của các nhà khoa học vì đó là phƣơng pháp có nhiề u ƣu điể m nhƣ sƣ̉ du ̣ng n ăng lƣơ ̣ng ánh sáng mặt trời, tác nhân oxi hóa là không khí… Mô ̣t số chấ t bán dẫn đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng làm chấ t xúc tác quang nhƣ kem ̃ oxit ZnO, titan đioxit TiO2, kẽm titanat Zn 2TiO2, SiO2,… Trong đó ZnO và các oxit kim loại có cấu hình electron d 0 và oxit kim loa ̣i điể n hình có cấ u hình e lectron d10 đƣơ ̣c nghiên cƣ́u nhiều nhấ t. Mặc dù vậy, do có vùng cấm rộng nên chúng chủ yếu hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại, vùng mà chỉ chiếm khoảng 5% tổng lƣợng photon ánh sáng mặt trời. Do có hoa ̣t tiń h quang hóa cao , không đô ̣c ha ̣i và giá thành thấ p nên ZnO đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng nh iề u cho ƣ́ng du ̣ng quang hóa. Để sử dụng đƣợc sánh sáng mặt trời vào quá trình xúc tác quang của ZnO, cần thu hẹp vùng cấm của nó.

Nhiều nghiên cứu cho thấy khi pha tạp ZnO bằng một số oxit kim loại và oxit phi kim có thể mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của ZnO từ vùng tử ngoại sang vùng khả kiến. Xuất phát từ thực tế đó và những cơ sở khoa học trên, chúng tôi chọn đề tại: “Nghiên cứu phân hủy phẩm màu hữu cơ trong môi trƣờng nƣớc bằng vật liệu quang xúc tác ZnO nano/SiO2” 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 1. Tổng quan về phẩm màu hữu cơ 1. Ảnh hƣởng phẩm màu đến môi trƣờng Ô nhiễm nƣớc thải do phẩm màu phụ thuộc các hóa chất, chất trợ, thuốc nhộm và cộng nghệ sử dụng.