ỐI TƢỢNG VÀ PH M VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi nghiên cứu
- Khảo sát điều kiện thích hợp trong phòng thí nghiệm để thu đƣợc vật liệu graphene oxide biến tính nitrogen, CoFe2O4 và CoFe2O4/graphene oxide biến tính nitrogen
- ánh giá hoạt tính xúc tác quang phân hủy methylene blue trong vùng ánh sáng khả kiến của chúng
- Tổng quan lý thuyết về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài
- Tổng hợp vật liệu GO-N theo phương pháp Hummers cải tiến, vật liệu
CF và CF/GO-N bằng phương pháp thủy nhiệt
Nghiên cứu đặc trưng vật liệu hiện nay sử dụng các phương pháp hóa lý hiện đại, bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho hình ảnh bề mặt vật liệu, phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (IR) nhằm xác định nhóm chức hóa học, phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (UV-Vis-DRS) để nghiên cứu tính chất quang học, và phổ quang điện tử X (XPS) để phân tích thành phần hóa học bề mặt.
- ánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu theo phương pháp chuẩn thông qua phản ứng phân huỷ methylene blue
5 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
MỞ ẦU hương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT hương 2 THỰC NGHIỆM V PHƯƠNG PH P NGHIÊN ỨU hương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1 Ô nhiễm môi trường nước và các phương pháp xử lý
Nước là tài nguyên thiên nhiên thiết yếu, chiếm 71% bề mặt Trái Đất, nhưng chỉ 3% là nước ngọt, trong đó chỉ 0,5% có thể sử dụng cho con người Nhu cầu nước sạch gia tăng đáng kể trong sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp, đặc biệt là trong ngành dệt nhuộm, dẫn đến việc sản xuất lượng lớn nước thải chứa chất ô nhiễm Ô nhiễm nước ngọt do các hóa chất công nghiệp như kim loại nặng, thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu đang trở thành vấn đề môi trường nghiêm trọng Khoảng 17-20% ô nhiễm nước công nghiệp đến từ ngành dệt, với 72 hóa chất độc hại được phát hiện trong nước thải, trong đó nhiều chất không thể loại bỏ Các chất độc hại như sulphur, naphthol và kim loại nặng làm giảm chất lượng nước, gây cản trở quá trình quang hợp và làm tổn hại đến sinh vật biển Việc loại bỏ các chất ô nhiễm này khỏi nước thải là rất quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.
Việc bảo vệ nguồn tài nguyên nước và phát triển công nghệ xử lý nước cùng nước thải là vấn đề môi trường quan trọng trong thế kỷ 21.
1.1.2 Các phương pháp xử lý
1.1.2.1 Công nghệ xử lý nước thải thông thường và những hạn chế của chúng
Xử lý nước thải hiện nay là vấn đề cấp bách do ô nhiễm nguồn nước ngày càng nghiêm trọng, chủ yếu từ nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa qua xử lý Nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm, yêu cầu các phương pháp xử lý đa dạng Các phương pháp thông thường kết hợp quá trình hóa lý, hóa học và sinh học để loại bỏ chất rắn, chất hữu cơ và đôi khi là chất dinh dưỡng Tuy nhiên, những phương pháp này không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn màu sắc hoặc các chất ô nhiễm khó hấp phụ Hơn nữa, chúng chỉ chuyển chất gây ô nhiễm sang pha khác, tạo ra vấn đề xử lý mới Các phương pháp hóa lý phổ biến như màng lọc, trao đổi ion và hấp phụ với carbon đã thành công trong việc thu hồi các phân tử lớn và phẩm nhuộm không hòa tan, nhưng vẫn chưa loại bỏ được các phân tử nhỏ và phẩm nhuộm hòa tan, mặc dù lọc nano và thẩm thấu ngược cho thấy hiệu quả cao hơn.
Hệ thống trao đổi ion có thể giảm màu trong nước thải khi pha loãng, nhưng không hiệu quả do mất khả năng hấp phụ và chi phí cao Hấp phụ bằng than hoạt tính là phương pháp phổ biến nhưng gặp khó khăn trong tái sinh và xử lý các phẩm nhuộm hòa tan cao Phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật để phân hủy hợp chất hữu cơ nhưng không hiệu quả với màu sắc từ phẩm nhuộm Trong khi đó, các phương pháp hóa học như chlorine, potassium permanganate và hydrogen peroxide được sử dụng để xử lý màu, nhưng cũng có nhược điểm như tạo ra chất độc hoặc tốn kém Ozone là chất oxi hóa mạnh mẽ, hiệu quả trong việc loại bỏ phẩm nhuộm mà không để lại phụ phẩm độc hại, nhưng chi phí cao và thời gian tồn tại ngắn Do đó, cần nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tiên tiến như hấp phụ, điện keo tụ, và oxi hóa để đạt hiệu quả cao hơn trong xử lý nước thải.
1.1.2.2 Quá trình oxi hóa nâng cao (Advance oxidation process, AOPs)
Trong hơn một thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển một kỹ thuật mới, mạnh mẽ và đầy hứa hẹn gọi là quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) nhằm xử lý các chất ô nhiễm trong nước uống và nước thải công nghiệp AOPs được định nghĩa là quá trình xử lý nước dưới áp suất và nhiệt độ, liên quan đến việc tạo ra đủ các gốc hydroxyl trong quá trình lọc nước Quá trình oxi hóa nâng cao đặc trưng bởi sự hình thành các gốc HO• ngay trong quá trình xử lý.
Gốc hydroxyl HO• là một trong những tác nhân oxi hóa mạnh nhất, có khả năng phản ứng nhanh và phân hủy hầu hết các hợp chất hữu cơ Với thế oxi hóa 2,8 eV, gốc hydroxyl HO• sở hữu khả năng oxi hóa cao nhất trong số các tác nhân thường gặp Các gốc tự do này có tính trung hòa về điện và không tồn tại như các tác nhân oxi hóa thông thường, mà được sinh ra trong quá trình phản ứng với thời gian sống ngắn, khoảng vài nghìn giây, nhưng liên tục được tạo ra trong suốt quá trình phản ứng.
AOPs có thể đƣợc phân thành hai nhóm chính:
Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng:
Bảng 1.1 Các quá trình oxi hóa nâng cao không nhờ tác nhân ánh sáng
Tác nhân phản ứng Phản ứng đặc trƣng Tên quá trình
O3 và các chất xúc tác 3O 3 + H 2 O cxt
H2O và NL điện hóa H2O cxt HO • + • H Oxi hóa điện hóa
H2O và NL siêu âm H2O cxt HO • + • H
Các quá trình oxi hóa nâng cao không cần tác nhân ánh sáng diễn ra mà không sử dụng năng lượng bức xạ tia cực tím (UV), với sự tham gia của các phản ứng hóa học như H2O cxt HO • + • H trong khoảng năng lượng từ 1-10 MeV.
Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng là các phản ứng hóa học sử dụng năng lượng từ bức xạ tia cực tím (UV) Những quá trình này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ xử lý nước đến sản xuất năng lượng sạch.
Bảng 1.2 Các quá trình oxi hóa nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng
Tác nhân phản ứng Phản ứng đặc trƣng Tên quá trình
H2O2 và năng lƣợng photon UV
O3 và năng lƣợng photon UV
H 2 O 2 / O 3 và năng lƣợng photon UV
H2O2/Fe 3+ và năng lƣợng photon UV
TiO2 và năng lƣợng photon UV
TiO 2 hv e - + h + ( > 387,5 nm) h + + H2O HO • + H + h + + OH - HO • + H +
Quang xúc tác bán dẫn
Quá trình oxi hóa nâng cao sử dụng gốc tự do HO• có ưu thế nổi bật trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là những chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Gốc tự do này có khả năng oxi hóa rất mạnh, mang lại hiệu quả cao hơn so với các hóa chất khác thường được sử dụng trong quá trình oxi hóa.
Phương pháp oxi hóa nâng cao được coi là giải pháp quan trọng để giải quyết những thách thức lớn trong ngành xử lý nước và nước thải hiện nay.
1.2 Tổng quan về quá trình quang xúc tác
1.2.1 Xúc tác quang và phản ứng xúc tác quang hóa dị thể
Quá trình quang xúc tác là một hình thức oxi hóa nâng cao, diễn ra khi có sự kết hợp giữa chất xúc tác, thường là vật liệu bán dẫn rắn, và ánh sáng Trong phản ứng này, ánh sáng đóng vai trò quan trọng, kích thích chất xúc tác và thúc đẩy quá trình phản ứng diễn ra hiệu quả hơn.
Khái niệm xúc tác quang hóa dị thể đƣợc báo cáo đầu tiên vào năm
Năm 1964, Orefler và Hauffe đã tiến hành oxi hóa O trong điều kiện chiếu sáng với ZnO làm chất xúc tác Tuy nhiên, lĩnh vực xúc tác quang dị thể bắt đầu thu hút sự chú ý từ nghiên cứu của Fujishima và Honda vào năm 1972, khi họ chứng minh rằng nước có thể được phân hủy thành hydrogen và oxygen dưới tác dụng của ánh sáng nhìn thấy mà không cần áp dụng bất kỳ thế bên ngoài nào.
Kích thích vật liệu TiO2 bằng ánh sáng:
Điện cực TiO2 tham gia vào phản ứng phân hủy nước, tạo ra oxy và ion hydro, trong khi điện cực platinum chuyển đổi ion hydro thành khí hydro Phản ứng tổng quát cho thấy nước được chuyển hóa thành oxy và hydro dưới tác động của ánh sáng Nghiên cứu này mở ra cơ hội ứng dụng vật liệu TiO2 trong lưu trữ và chuyển hóa năng lượng mặt trời Một trong những nghiên cứu đầu tiên về phân hủy chất độc trong nước được thực hiện bởi Arey vào năm 1976, cho thấy khả năng loại bỏ chlorine trong polychlorobiphenyls bằng phản ứng xúc tác quang hóa TiO2 Arey đã chỉ ra rằng xúc tác quang hóa dị thể là phương pháp tiềm năng để xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước, từ đó thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong lĩnh vực này.
1.2.2 Cơ chế phản ứng quang xúc tác ơ chế của quá trình xúc tác quang hóa dị thể đã và đang đƣợc làm sáng tỏ [48] Vào năm 2010, Friedmann và các cộng sự đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến động học và cơ chế của quá trình xúc tác quang hóa dị thể của TiO2 [49] Gần đây, chi tiết về ảnh hưởng của pH trong dung dịch, lượng chất xúc tác, nồng độ chất hữu cơ, nhiệt độ, cường độ và năng lượng của dòng photon đã đƣợc báo cáo [50]