Tổng hợp nano zno pha tạp ag và ứng dụng xử lý xanh methylen, alizarin red s trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐINH THỊ HỒNG THẢO

TỔNG HỢP NANO ZnO PHA TẠP Ag

VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ

XANH METHYLEN, ALIZARIN RED S

TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chuyên ngành : Hóa hữu cơ

Mã số : 8440114

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÓA HỮU CƠ

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại học Sư phạm - ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đinh Văn Tạc

Phản biện 1: TS. Nguyễn Đình Anh

Phản biện 2: TS. Bùi Xuân Vững

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Hóa hữu cơ họp tại Trường Đại học

Sư phạm- ĐHĐN vào ngày 6 tháng 10 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của xã hội,

ngành dệt may nước ta đã gia tăng nhanh chóng sản lượng sản xuất,

trở thành ngành nghề thu hút nhiều lao động và chiếm kim ngạch

xuất khẩu lớn của Việt Nam. Tuy nhiên, sự phát triển này cũng kéo

theo nhiều hệ lụy, trong đó phải nói đến vấn đề ô nhiễm môi trường

do nước thải dệt nhuộm. Theo nhiều nghiên cứu, trong nước thải dệt

nhuộm có cả những chất dễ phân giải vi sinh và những chất khó phân

giải vi sinh như polyvinyl axetat, thuốc nhuộm phân tán, thuốc

nhuộm hoạt tính và các chất dùng tẩy trắng vải. Với các loại vải càng

sử dụng nhiều xơ sợi tổng hợp như polyester thì càng dùng nhiều

thuốc nhuộm và các chất phụ trợ khó phân giải vi sinh, dẫn tới lượng

chất gây ô nhiễm môi trường trong nước thải càng cao [5].

Khi các tiêu chuẩn môi trường của quốc tế trở nên nghiêm

ngặt hơn, ngày càng có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc xử lý

nước thải dệt nhuộm. Thế nhưng, chính sự phức tạp và đa dạng của

các loại thuốc được sử dụng trong quá trình dệt nhuộm đã gây ra cho

ta khá nhiều khó khăn khi đi tìm một quy trình xử lý hiệu quả. Hầu

hết thuốc nhuộm hiện nay đều đã được thiết kế để chống lại sự phân

hủy của vi khuẩn hiếu khí và được chuyển thành hợp chất độc hại

hoặc gây ung thư. Các phương pháp thông thường được sử dụng để

xử lý nước thải dệt nhuộm gồm các phương pháp vật lý, sinh học

hoặc các phương pháp hóa học đều có những hạn chế riêng của nó.

Chẳng hạn như phương pháp keo tụ, thẩm thấu ngược và hấp phụ

trên than hoạt tính không phá hủy mà chỉ chuyển các chất gây ô

nhiễm sang môi trường khác, do đó có thể gây ô nhiễm thứ cấp [8].

2

Như vậy, việc áp dụng các phương pháp mới để loại bỏ các hóa chất

nhuộm hoặc chuyển chúng thành các hợp chất vô hại trong nước là

thật sự cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, phương

pháp quang xúc tác bán dẫn là một trong những kỹ thuật hứa hẹn

cung cấp năng lượng sạch và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ bền

vững. Một số chất bán dẫn được sử dụng làm chất xúc tác quang học

như kẽm oxit ZnO, titan đioxit TiO2, kẽm titanat Zn2TiO3. Những

chất này có khả năng biến thành chất oxi hóa cực mạnh khi có sự

chiếu sáng của ánh sáng có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng

cấm của chất đó. Trong đó, ZnO là một chất xúc tác quang đã và

đang nhận được nhiều quan tâm của các nhà khoa học.

ZnO là hợp chất khá phổ biến, không độc hại và đặc biệt có

thể dễ dàng được tổng hợp từ các phản ứng hóa học đơn giản với chi

phí thấp. Nhờ có phổ hấp thụ ánh sáng mặt trời rộng và năng lượng

liên kết kích thích lớn ở nhiệt độ phòng, ZnO có khả năng phát huy

tác dụng xúc tác quang hóa nhanh ở điều kiện bình thường, có khả

năng oxi hóa được nhiều hợp chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O,

có khả năng chống mốc, diệt khuẩn và khả năng tự làm sạch. Ngoài

ra, ZnO còn có khả năng phân hủy các khí thải độc từ động cơ ô tô,

xe máy như NOx thành N2, phân hủy quang điện hóa xúc tác H2O

thành H2 và O2 tạo năng lượng mới. Nhiều nghiên cứu trên thế giới

đã chỉ ra rằng khi vật liệu ở kích thước nano sẽ xuất hiện hiệu ứng

đặc biệt mà vật liệu khối không có được, đó là hiệu ứng giam giữ

lượng tử [11], [12], [14], [15], [22]. Chính hiệu ứng này làm tăng

năng lượng vùng cấm của ZnO. Mặt khác việc pha tạp thêm một số

kim loại vào oxit ZnO cũng làm cho những thuộc tính của vật liệu

thay đổi đáng kể, làm tăng tính chất quang, điện, từ và mở ra nhiều

ứng dụng, đặc biệt là các thiết bị điện tử nền spin [21], [30]. Tuy

3

nhiên ở Việt Nam vẫn còn rất ít các công trình nghiên cứu về hoạt

tính của các hạt nano ZnO pha tạp kim loại. Vì vậy, chúng tôi thực

hiện đề tài “Tổng hợp nano ZnO pha tạp Ag và ứng dụng xử lý

xanh methylen, alizarin red S trong môi trường nước” để góp

phần bổ sung thêm những nghiên cứu về nano ZnO pha tạp kim loại

và ứng dụng của nó trong việc xử lý các chất gây ô nhiễm.

2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Nano ZnO pha tạp Ag

- Xanh methylen, alizarin red S

3. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1. Mục tiêu nghiên cứu

- Tổng hợp vật liệu nano ZnO pha tạp Ag với tỉ lệ nAg/nZnO

lần lượt là 0%; 1%; 2% và 3% bằng phương pháp đốt cháy gel.

- Nghiên cứu các đặc trưng và khảo sát hoạt tính quang xúc

tác của vật liệu để xử lí xanh methylen, alizarin red S.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

Tổng hợp nano ZnO pha tạp Ag và ứng dụng làm xúc tác

quang xử lý xanh methylen, alizarin red S.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1. Nghiên cứu lý thuyết

Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu trong và ngoài nước về

thành phần hóa học của xúc tác cần tổng hợp.

4.2. Nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp tổng hợp nano: phương pháp đốt cháy gel ở

nhiệt độ thấp, dùng axit citric làm chất nền phân tán.

- Nghiên cứu cấu trúc của nano ZnO và nano ZnO pha tạp Ag

bằng nhiễu xạ tia X, phổ tán sắc năng lượng EDX và phương pháp

4

đo phổ UV-VIS.

5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan.

- Xử lý các thông tin về lý thuyết để đưa ra các vấn đề cần

thực hiện trong quá trình thực nghiệm.

- Nghiên cứu quy trình tổng hợp mẫu xúc tác: nano ZnO pha

tạp Ag và ứng dụng làm xúc tác quang xử lý xanh methylen, alizarin

red S.

- Nghiên cứu các ảnh hưởng của xúc tác và một số yếu tố khác

đến hiệu suất phân hủy xanh methylen, alizarin red S.

6. BỐ CỤC LUẬN VĂN

Phần 1. Mở đầu

Phần 2. Nội dung nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Phần 3. Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN VỀ ZnO

1.1.1. Tính chất vật lí của ZnO

1.1.2. Cấu trúc tinh thể ZnO

1.1.3. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO

5

1.1.4. Tính chất điện và quang của ZnO

1.1.5. Một số ứng dụng của ZnO

1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NANO OXIT

KIM LOẠI

1.2.1. Phương pháp sol-gel

1.2.2. Phương pháp tổng hợp đốt cháy

1.3. TỔNG QUAN VỀ XANH METHYLEN VÀ ALIZARIN

RED S

1.3.1. Xanh methylen

1.3.2. Alizarin red S

1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHẨM MÀU DỆT

NHUỘM

1.4.1. Phương pháp keo tụ

1.4.2. Phương pháp sinh học

1.4.3. Phương pháp lọc

1.4.4. Phương pháp hấp phụ

1.4.5. Phương pháp oxi hóa nâng cao

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ

2.1.1. Hóa chất

Kẽm nitrat, axit citric, xanh methylen (MB), alizarin red S

(ARS), bạc nitrat, etanol tuyệt đối.

2.1.2. Thiết bị thí nghiệm

Cân phân tích, lò nung, máy đo UV – VIS, máy đo pH

Metler, máy li tâm, máy khuấy từ, bóng đèn compact loại 15W,

20W, 40W, chén sứ, tủ sấy…

6

2.2. TỔNG HỢP NANO ZnO VÀ ZnO PHA TẠP Ag BẰNG

PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY GEL

Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp nano ZnO và nano ZnO pha tạp Ag bằng

phương pháp đốt cháy

2.3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA

VẬT LIỆU NANO ZnO PHA TẠP Ag VÀ KHẢO SÁT ẢNH

HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN

HỦY XANH METHYLEN

2.3.1. Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen

Bảng 2.3. Sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ xanh

methylen ở bước sóng 665 nm

C

(ppm)

0,1 1 2 2.5 3 4 5

A 0,038 0,223 0,440 0,568 0,684 0,905 1,124

7

Hình 2.3. Đường chuẩn xác định nồng độ xanh methylen ở λ= 665

nm

2.3.2. Ảnh hưởng của phần trăm Ag pha tạp

2.3.3. Ảnh hưởng của pH

2.3.4. Ảnh hưởng của lượng xúc tác

2.3.5. Ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng

2.3.6. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng

2.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC CỦA

VẬT LIỆU NANO ZnO PHA TẠP Ag VÀ KHẢO SÁT ẢNH

HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN

HỦY ALIZARIN RED S

2.4.1. Đường chuẩn xác định nồng độ alizarin red S

Bảng 2.4. Sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ alizarin red

S ở bước sóng 423nm

y = 0.2238x + 0.0061

R² = 0.9995

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6

A

C (ppm)

8

C 1 5 10 15 20 50 75 100

A 0,031 0,069 0,152 0,208 0,251 0,642 0,981 1,188

Hình 2.5. Đường chuẩn xác định nồng độ alizarin red S ở ở λ=423

nm

2.4.2. Ảnh hưởng của phần trăm Ag pha tạp

2.4.3. Ảnh hưởng của pH

2.4.4. Ảnh hưởng của lượng xúc tác

2.4.5. Ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng

2.4.6. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng

2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG

VẬT LIỆU

2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

2.5.2. Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X

(EDX)

2.5.3. Phương pháp đo phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis

y = 0.0121x + 0.0235

R² = 0.9962

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 50 100 150

A

C (ppm)