Luận văn Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc vật liệu sét chống Titan cấy thêm Lantan và ứng dụng làm xúc tác cho quá trình xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc vật liệu sét chống Titan cấy thêm Lantan và ứng dụng làm xúc tác cho quá trình xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN VINH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU SÉT CHỐNG TITAN CẤY THÊM LANTAN VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN VINH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU SÉT CHỐNG TITAN CẤY THÊM LANTAN VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ MÀU TRONG NƢỚC THẢI DỆT NHUỘM Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Nguyễn Văn Nội Hà Nội – Năm 2013
3. LỜI CẢM ƠN Với sự giúp đỡ của các thầy giáo và cô giáo, các anh chị và các bạn học viên, sau một thời gian học tập và thực nghiệm em đã hoàn thành bản luận văn này. Thông qua bản luận văn, với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Nội, người đã trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình em học đại học, học cao học, làm luận văn hết sức tận tình. Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy cô tại phòng thí nghiệm Hóa môi trường, khoa Hóa học, trường ĐHKHTN cùng NCS Nguyễn Thị Hạnh đã hướng dẫn nhiệt tình trong quá trình em làm bản luận văn này. Hà Nội, ngày 28/11/2013 HVCH Nguyễn Văn Vinh
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Vật liệu nano TiO2 và nano TiO2 biến tính. ........................................................... 3 1.1.1. Vật liệu nano TiO2 ............................................................................................. 3 1.1.2. Vật liệu nano TiO2 biến tính .............................................................................. 6 1.1.3. Phương pháp Sol-gel điều chế nano TiO2 biến tính ......................................... 11 1.1.4. Cơ chế quang hóa của nano TiO2 trong xử lý chất ô nhiễm ............................. 12 1.2. Giới thiệu về Bentonite và Bentonite chống Titan cấy thêm Lantan .................... 15 1.2.1. Bentonite ......................................................................................................... 15 1.2.2. Bentonite chống kim loại ................................................................................. 19 1.2.3. Vật liệu bentonite chống Titan cấy thêm Lantan .............................................. 23 1.3.Thuốc nhuộm màu hữu cơ trong dệt nhuộm ......................................................... 23 1.3.1. Phân loại thuốc nhuộm..................................................................................... 24 1.3.2. Xử lý nước thải dệt nhuộm .............................................................................. 28 Chương 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1. Hóa chất và dụng cụ, trang thiết bị thí nghiệm .................................................... 29 2.1.1. Hóa chất .......................................................................................................... 29 2.1.2. Dụng cụ và trang thiết bị .................................................................................. 29 2.2. Tổng hợp vật liệu ................................................................................................ 30 2.2.1. Tổng hợp nano TiO2 ........................................................................................ 30 2.2.2. Tổng hợp nano TiO2 pha tạp La ....................................................................... 31 2.3. Xác định một số tính chất cơ bản của bentonit-Na và tổng hợp bentonite chống Ti pha tạp La ............................................................................................................. 31 2.3.1. Xác định dung lượng trao đổi cation ( CEC) .................................................... 31 2.3.2. Xác định độ trương nở ..................................................................................... 32 2.3.3. Tổng hợp vật liệu bentonite chống Ti pha tạp La ............................................ 32 2.4. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu .................................................... 32 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) ........................................................... 32 2.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ................................................................... 33
5. 2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................... 34 2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................... 36 2.4.5. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X EDX – Energy Dispersive Analysis of X-rays spectroscopy) ................................................................................................. 36 2.4.6. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis ................................................................... 37 2.4.7. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ .............................................. 38 2.5. Khảo sát khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm của vật liệu .................................. 42 2.5.1. Chuẩn bị dung dịch .......................................................................................... 42 2.5.2. Lập đường chuẩn xác định nồng độ phẩm nhuộm ............................................ 42 3+ 2.5.3.Khảo sát khả năng xử lý phẩm màu của vật liệu TiO2 và TiO2 doping La ....... 43 2.5.4.Khảo sát khả năng xử lý phẩm màu của vật liệu bentonite chống Ti pha tạp La 44 2.5.5. Đánh giá hiệu suất xử lý phẩm màu của vật liệu .............................................. 44 2.6. Nguồn sáng mô phỏng ánh sáng khả kiến ........................................................... 44 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3+ 3.1. Kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu của nano TiO2 và TiO2 pha tạp La .......... 46 3.1.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X ............................................................................... 46 3.1.2. Kết quả phổ UV-VIS ....................................................................................... 49 3.1.3. Kết quả phổ EDX ............................................................................................ 50 3.2. Kết quả đặc trưng cấu trúc vật liệu Bentonite chống Ti pha tạp La...................... 51 3.2.1. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X .............................................................................. 51 3.2.2. Kết quả phổ UV-VIS ....................................................................................... 53 3.2.3. Kết quả ảnh qua kính hiển vi điện tử quét SEM vật liệu ................................... 54 3.2.4. Kết quả ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HRTEM ......................... 54 3.2.5. Kết quả phổ hồng ngoại IR .............................................................................. 55 3.2.6. Kết quả phổ tán xạ năng lượng EDX ................................................................ 56 3.2.7. Kết quả đường hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET) .................................................. 56 3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý phẩm màu của TiO2 pha tạp La và Bentonite chống Ti pha tạp La ................................................................................................... 58 3.3.1. Đường chuẩn xác định nồng độ phẩm DB 71 và RR 261 ................................. 58
6. 3.3.2. Sự ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý phẩm của vật liệu TiO2-La1%-450 và Bent 1 ................................................................................................................... 58 3.3.3. Khả năng xử lý phẩm khi không dùng ánh sáng đèn của vật liệu ...................... 61 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác của vật liệu ...................... 62 3.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol La: Ti đến hoạt tính xúc tác của vật liệu ................... 63 3.3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng bentonite đến hoạt tính xúc tác ............................. 65 3.3.7. Ảnh hưởng của lượng vật liệu xúc tác đến khả năng xử lý phẩm màu .............. 66 3.3.8. Khả năng khoáng hóa chất hữu cơ của xúc tác ................................................. 67 3.3.9. Khả năng xử lý nước thải dệt nhuộm làng nghề Dương Nội- Hà Đông ............ 67 3.4. Cơ chế quang hóa của TiO2 pha tạp La ............................................................... 68 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
7. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của TiO2 ở dạng anatase và rutile 5 Bảng 1.2. Đường kính hydrat hoá của một số cation kim loại 18 Bảng 3.1. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.1 47 Bảng 3.2: Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.2 48 Bảng 3.3. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng Ebg của TiO2, TiO2 pha tạp 3+ La 49 3+ Bảng 3.4. Bước sóng hấp thụ cực đại và năng lượng Ebg của TiO2 pha tạp 1% La theo các nhiệt độ 50 Bảng 3.5. Thành phần các nguyên tố có trong mẫu TiO2-La1%-450 51 Bảng 3.6. Kích thước hạt TiO2 và tỷ lệ pha A/R từ giản đồ nhiễu xạ tia X hình 3.6 52 Bảng 3.7. Thành phần nguyên tố trong mẫu Bent 1 56 Bảng 3.8. Sự ảnh hưởng của pH đến độ chuyển hóa phẩm DB 71 và RR 261 58 Bảng 3.9. Hiệu xuất xử lý phẩm màu của vật liệu trong bóng tối và khi chiếu ánh sáng 61 Bảng 3.10. Hiệu xuất xử lý phẩm màu của TiO2-La1% nung ở các nhiệt độ khác nhau 62 Bảng 3.11. Hiệu xuất chuyển hóa phẩm màu của vật liệu TiO2 pha tạp La và TiO2- 450 64 Bảng 3.12. Hiệu xuất chuyển hóa phẩm màu của vật liệu Bent 0.5; Bent 1; Bent 2 65 Bảng 3.13. Hiệu xuất xử lý phẩm màu với lượng Bent 1 khác nhau 66 Bảng 3.14. Hiệu xuất chuyển hóa TOC phẩm màu sau 180 phút của Bent 1 67 Bảng 3.15. Hiệu xuất chuyển hóa TOC nước thải sau 180 phút của Bent 1 68 Bảng 3.16. Thông số hằng số mạng tinh thể anatase TiO2 trong các mẫu khác nhau 68
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Tinh thể Rutile: dạng tinh thể trong tự nhiên và cấu trúc tinh thể 4 Hình 1.2. Tinh thể Anatase: dạng tinh thể trong tự nhiên và cấu trúc tinh thể 4 Hình 1.3. Tinh thể Brookite trong tự nhiên và cấu trúc tinh thể 5 Hình 1.4. Cơ chế hình thành gốc hoạt động trên vật liệu bán dẫn 13 Hình 1.5. Cơ chế quá trình xúc tác quang trên vật liệu bán dẫn 14 Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể Montmorillonite 16 Hình 1.7. Các vị trí trao đổi cation trên hạt Bentonite 17 Hình 1.8. Sơ đồ mô tả phương pháp chống phân tán loãng 21 Hình 1.9. Sơ đồ quá trình chèn các polycation vào giữa các lớp bentonite 22 Hình 2.1. Cấu trúc thuốc nhuộm DB 71 và RR 261 29 Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp nano TiO2 30 Hình 2.3. Nguyên lý của phép phân tích EDX. 36 Hình 2.4. Sự phụ phuộc của p/v(po-p) vào p/po 39 Hình 2.5. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ theo phân loại IUPAC 40 Hình 2.6. Quang phổ của đèn Compact Fluorescent 9W ở 2750 K và 5000 K 45 Hình 3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ La:Ti đến sự chuyển pha và kích thước hạt TiO2 46 Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự chuyển pha và kích thước hạt TiO2 3+ pha tạp La 48 3+ Hình 3.3. a) Phổ UV-VIS của TiO2 và TiO2 pha tạp La theo các % khác nhau 49 3+ b) Năng lượng vùng cấm TiO2 và TiO2 pha tạp La theo các % khác nhau 49 3+ Hình 3.4. a) Phổ UV-VIS của TiO2 pha tạp 1% La theo các nhiệt độ khác nhau 50 3+ b) Năng lượng vùng cấm TiO2 pha tạp 1% La theo các nhiệt độ khác nhau 50 Hình 3.5. Phổ EDX của TiO2-La 1%-450 51 3+ Hình 3.6. Phổ nhiễu xạ tia X của bentonite và bentonite chống Ti pha tạp La 51 Hình 3.7. a) Phổ UV-VIS của Bent chống Ti pha tạp La3+; b) Năng lượng vùng cấm 3+ TiO2 trên Bent chống Ti pha tạp La 53 Hình 3.8. a) Ảnh SEM vật liệu TiO2-La1%-450; b) và c) ảnh SEM vật liệu Bent 1 54 Hình 3.9. a) Ảnh TEM của vật liệu TiO2-La1%-450 55 b) Ảnh TEM của vật liệu Bent 1 55
9. Hình 3.11. Phổ EDX mẫu Bent 1 56 0 Hình 3.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở 77 K của Bent 1 57 Hình 3.13. Sự phân bố kích thước mao quản của vật liệu Bent 1 57 Hình 3.14. a) Đường chuẩn phẩm DB 71; b) Đường chuẩn phẩm RR 261 58 Hình 3.15. Ảnh hưởng của pH đến độ chuyển hóa phẩm của TiO2-La1%-450 với: a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 59 Hình 3.16. Ảnh hưởng của pH đến độ chuyển hóa phẩm phẩm của Bent 1 với: 59 c) Phẩm DB 71; d) Phẩm RR 261 59 Hình 3.17. Khả năng xử lý phẩm màu DB 71 của TiO2-La1%-450; Bent1 61 trong bóng tối và ánh sáng 61 Hình 3.18. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng xử lý phẩm màu của vật liệu: a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 63 Hình 3.19. Ảnh hưởng tỷ lệ mol La: Ti đến khả năng xử lý phẩm màu của vật liệu : a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 64 Hình 3.20. Ảnh hưởng lượng bentonite đến hoạt tính xúc tác xử lý phẩm của vật liệu a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 65 Hình 3.21. Ảnh hưởng lượng vật liệu xúc tác đến khả năng xử lý phẩm màu 66 a) Phẩm DB 71; b) Phẩm RR 261 66 Hình 3.22. Phổ UV-VIS của nước thải sau cống ban đầu và nước thải sau cống xử lý với Bent 1 sau 120 phút 68 Hình 3.23. Cơ chế quang hóa của TiO2 pha tạp La 69
10. DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT STT Viết tắt Tên đầy đủ 1 A Anatase Vật liệu được tổng hợp với tỷ lệ 0,5g 2 Bent 0.5 Bentonite:0.033 mol Ti:0.00033 mol La Vật liệu được tổng hợp với tỷ lệ 1g Bentonite:0.033 3 Bent 1 mol Ti:0.00033 mol La Vật liệu được tổng hợp với tỷ lệ 2g Bentonite:0.033 4 Bent 2 mol Ti:0.00033 mol La 5 BET Brunauer-Emmett-Teller 6 CEC Cation exchange capacity 7 DB 71 Direct Blue 71 8 EDX Energy Dispersive analysis of X-rays 9 IR Infrared spectroscopy 10 PILC Pillared interlayer clay 11 R Rutile 12 RR 261 Red Reactive 261 13 SEM Scanning Electron Microscopy 14 TEM Transmission Electron Microscopy 15 TIOT Tetra Isopropyl Ortho Titanat 16 TTIP Titan Tetra Iso Propoxit 17 UV-VIS Ultra violet- Visible 18 XRD X-Ray Diffraction