Luận văn Biến tính sét Di Linh dùng cho phản ứng phân hủy một số dung môi hữu cơ ô nhiễm

Nội dung tài liệu: Luận văn Biến tính sét Di Linh dùng cho phản ứng phân hủy một số dung môi hữu cơ ô nhiễm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------- VŨ DUY HÙNG BIẾN TÍNH SÉT DI LINH DÙNG CHO PHẢN ỨNG PHÂN HỦY MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ Ô NHIỄM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------- VŨ DUY HÙNG BIẾN TÍNH SÉT DI LINH DÙNG CHO PHẢN ỨNG PHÂN HỦY MỘT SỐ DUNG MÔI HỮU CƠ Ô NHIỄM Chuyên ngành : Hóa Dầu Mã số: 60 44 0115 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Bình Hà Nội – 2013
3. LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình, người đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Hóa Dầu và Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy và dìu dắt em trong suốt những năm qua cũng như quá trình nghiên cứu, đặc biệt là trong quá trình làm thí nghiệm. Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, các anh chị và các bạn phòng Hóa Dầu đã luôn quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2013 Vũ Duy Hùng
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN ........................................................................................ 1 1.1. Giới thiệu về Bentonit ............................................................................................. 1 1.1.1. Sự hình thành bentonit trong tự nhiên ............................................................. 1 1.1.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của montmorillonit .................................... 1 1.1.3. Tính chất hóa lý của bentonit ............................................................................. 4 1.1.3.1. Tính chất vật lý của bentonit .......................................................................... 4 1.1.3.2. Khả năng hấp phụ của bentonit ..................................................................... 5 1.1.4. Bentonit ở Việt Nam ............................................................................................ 6 1.1.5. Ứng dụng của bentonit ..................................................................................... 7 1.1.6. Phƣơng pháp biến tính Bentonit. ...................................................................... 7 1.2. Phƣơng pháp hấp phụ ........................................................................................... 8 1.2.1. Lý thuyết về phƣơng pháp hấp phụ .................................................................. 8 1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ ................................................ 11 1.2.3. Một số đại lƣợng đánh giá hấp phụ ................................................................. 13 1.3. Quá trình quang xúc tác ..................................................................................... 14 1.3.1. Xúc tác quang dị thể [11] .................................................................................. 14 1.3.2. Hệ xúc tác Fenton dị thể ................................................................................... 19 CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 20 2.1. THỰC NGHIỆM .................................................................................................. 20 2.1.1. Hóa chất và thiết bị sử dụng ............................................................................. 20 2.1.2. Xử lý sét thô thành bentonit – Na (Bent – Na) .............................................. 20 2.1.3. Quá trình hấp phụ các ion kim loại (Fe3+, Zn2+, Cu2+). ................................ 21 2.1.3.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ................................................... 21 2.1.3.2. Ảnh hƣởng của pH tới quá trình hấp phụ ion kim loại. ............................ 22 2.1.3.3. Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của bentonit – Na vào nồng độ cân bằng của Fe (III), Cu(II) và Zn(II) ............................................................................. 22
5. 2.1.4. Các xúc tác BentH – FexOy , BentH – Cu2/xO, BentH – ZnO đƣợc điều chế ở điều kiện tối ƣu hấp phụ kim loại. .................................................................... 22 2.1.5. Hoạt tính quang hóa trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ. ........ 22 2.1.6. Xây dựng đƣờng chuẩn cho Metyelen blue (MB) .......................................... 23 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 24 2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ............................................................................. 24 2.2.2. Phƣơng pháp UV – VIS .................................................................................... 25 2.2.3. Phƣơng pháp phổ của các tia X có năng lƣợng phân tán (EDS hay EDX) . 26 2.2.4. Phương pháp xác định phổ phản xạ khuếch tán Uv – Vis (UV-Vis DRS) ......... 27 2.2.5. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử F – AAS .............................................. 28 CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 31 3.1. Các đặc trƣng vật lý của các mẫu xúc tác: ......................................................... 31 3.1.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X – XRD .................................................................. 31 3.1.2. Kết quả phổ của các tia X có năng lƣợng phân tán - EDS ............................ 33 3.1.3. Kết quả phổ phản xạ khuếch tán UV – Vis (UV-Vis DRS) ............................ 36 3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. .......................................................... 36 3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của pH ................................................................................ 38 3.4. Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của bentonit – Na vào nồng độ cân bằng của Fe (III), Cu(II) và Zn(II) ....................................................................................... 39 3.4.1. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của ion Fe3+ ......................................................... 40 3.4.2. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của ion Zn2+ ......................................................... 42 3.4.3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của ion Cu2+ ........................................................ 44 3.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác oxi hóa chất hữu cơ gây ô nhiễm Metylen blue của các BentH – Cu2/xO, BentH – FexOy, BentH – ZnO. .................................. 46 3.5.1. Khả năng quang xúc tác của BentH – Cu2/xO ................................................ 46 3.5.2. Khả năng quang xúc tác của BentH - FexOy ................................................... 47 3.5.3. Khả năng quang xúc tác của BentH – ZnO .................................................... 49
6. 3.6. So sánh hiệu suất quang hóa của BentH –Cu2/xO , BentH –FexOy, BentH – ZnO ............................................................................................................................. 50 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 53 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 57
7. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.2 – Cấu trúc không gian mạng lưới cấu trúc của montmorillonit. ........................ 3 Hình 1.3 – Cơ chế hấp phụ ............................................................................................... 9 Hình 1.4 – Đồ thị để tìm các hằng số trong phương trình Langmuir. ............................ 14 Hình 1.5 – Phổ năng lượng của các chất bán dẫn. .......................................................... 15 Hình 1.6 – Sơ đồ cơ chế tác dụng quang xúc tác phân huỷ các hợp chất hữu cơ ........... 15 Hình 1.7 – Mô tả hệ quang xúc tác dị thể. ....................................................................... 17 Hình 1.8 – Quá trình quang xúc tác của hệ Fenton ......................................................... 19 Hình 2.3– Phổ UV – VIS của metylen blue. ..................................................................... 23 Hình 2.4– Đường chuẩn thể hiện sự phụ thuộc của Abs vào nồng độ của metylen blue. .................................................................................................................................. 24 Hình 2.1 – Sơ đồ nhiễu xạ của tia X. ............................................................................... 24 Hình 2.2 – Nguyên lý của phép phân tích EDS ................................................................ 26 Hình 3.1 – Phổ XRD của bent – Na ................................................................................. 31 Hình 3.2– Phổ XRD của bentH – Cu2/xO ......................................................................... 31 Hình 3.3– Phổ XRD của bentH – FexOy .......................................................................... 32 Hình 3.4– Phổ XRD của bentH – ZnO. ............................................................................ 32 Hình 3.5 – Phổ EDS của Bent – Na. ................................................................................ 33 Hình 3.6– Phổ EDS của BentH – Cu2/xO ......................................................................... 34 Hình 3.7– Phổ EDS của BentH – FexOy .......................................................................... 34 Hình 3.8– Phổ EDS của BentH – ZnO ............................................................................. 35 Hình 3.9– Phổ UV rắn của Bent – Na, BentH – FexOy, BentH – CuO, BentH – ZnO. .... 36 2+ 2+ 3+ Hình 3.10– Mối quan hệ giữa qt của các ion kim loại Cu , Zn , Fe vào thời gian. .................................................................................................................................. 37 Hình 3.11– Ảnh hưởng của pH tới quá trình hấp phụ các ion Cu, Fe, Zn của Bent – Na. .................................................................................................................................... 39 Hình 3.12– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của Fe3+. ........................................................................................................................... 41 Hình 3.13– Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của ion Fe3+. .......................... 41
8. Hình 3.14– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của Zn2+. ........................................................................................................................... 42 Hình 3.15 – Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Zn2+. ............................... 43 Hình 3.16– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của Cu2+. .......................................................................................................................... 45 Hình 3.17– Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của Cu2+. ................................ 45 Hình 3.18 – Mối quan hệ giữa nồng độ của MB vào thời gian đối với BentH – Cu2/xO . ............................................................................................................................. 47 Hình 3.19– Mối quan hệ giữa nồng độ của MB vào thời gian đối với BentH – FexOy. .. 48 Hình 3.11– Mối quan hệ giữa nồng độ của MB vào thời gian đối với BentH – ZnO. ..... 50 Hình 3.21– Hiệu suất xử lý metylen blue của các xúc tác khác nhau. ............................. 51
9. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 – Bảng phân loại các loại sét [9] .......................................................................... 4 Bảng 1.2: Đặc trưng thành phần hóa học của bentonit Di Linh [13] .................................. 6 Bảng 3.1 – Kết quả phân tích nguyên tố của các mẫu Bent – Na, BentH – Cu2/xO, BentH – FexOy, BentH - ZnO bằng phương pháp phổ EDS ............................................... 35 Bảng 3.2 – Ảnh hưởng của thời gian đến cân cân bằng hấp phụ của các ion Cu2+, Fe3+, Zn2+. ........................................................................................................................... 37 Bảng 3.3 – Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ các ion Cu2+, Fe3+, Zn2+. ............. 38 Bảng 3.4– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của ion Fe3+ ............................................................................................................................... 40 Bảng 3.5 - Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của ion Zn2+ ............................................................................................................................... 43 Bảng 3.6– Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ của Bent – Na vào nồng độ cân bằng của ion Cu2+ ............................................................................................................................... 44 Bảng 3.7– Kết quả xử lý metylen blue bằng BentH – Cu2/xO với các điều kiện khác nhau..................................................................................................................................... 46 Bảng 3.8– Kết quả xử lý metylen blue bằng BentH – FexOy với các điều kiện khác nhau..................................................................................................................................... 48 Bảng 3.9– Kết quả xử lý metylen blue bằng BentH – ZnO với các điều kiện khác nhau..................................................................................................................................... 49
10. MỞ ĐẦU Ngày nay, ô nhiễm môi trường là một vấn đề thời sự mang tính toàn cầu. Chúng để lại hậu quả nghiêm trọng cho môi trường như làm mất mỹ quan, ô nhiễm không khí, có tác động xấu đến sức khỏe con người thậm chí còn là tác nhân gây nên ung thư hay các biến đổi gen. Do có ảnh hưởng trực tiếp và lâu dài của chúng đến sức khỏe con người nên việc xử lý ô nhiễm đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn. Để giảm thiểu ô nhiễm đã có nhiều biện pháp công nghệ được đưa ra. Có thể sử dụng các biện pháp truyền thống như: hấp phụ, thẩm thấu ngược, lọc qua máy siêu lọc... Đối với những nguồn nước bị ô nhiễm do các ion kim loại nặng gây ra thì phương pháp hấp phụ tỏ ra hiệu quả trong quá trình xử lý nước thải này do phương pháp này dễ áp dụng vào thực tế, chi phí cũng không quá đắt và có khả năng tái sử dụng lại chất hấp phụ. Phương pháp này càng hiệu quả nếu vật liệu sử dụng để hấp phụ có diện tích bề mặt và số tâm hấp phụ lớn như than hoạt tính, sét, Theo phương pháp này chúng ta dễ dàng thu hồi lại những kim loại này để phục vụ cho những nhu cầu khác như làm xúc tác thứ cấp, tạo ra vật liệu mới từ những quá trình này. Tuy nhiên, các phương pháp hấp phụ không làm cho các hợp chất hữu cơ bị phá hủy, mà chỉ chuyển chúng từ trạng thái này sang trạng thái khác hay chỉ là xử lý tạm thời, vì vậy chúng vẫn gây nên ô nhiễm môi trường. Sử dụng quá trình oxi hóa tăng cường (Advanced Oxidation Processes: AOPs) nhằm phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ ô nhiễm là một giải pháp được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây và đó cũng là xu hướng phát triển của khoa học xúc tác nói chung và xúc tác môi trường nói riêng. AOPs có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học gây ô nhiễm một cách nhanh chóng. Trong số các AOPs, xúc tác quang dị thể thường được sử dụng là TiO2, ZnO, CuO, FexOy, làm chất xúc tác quang. Bên