NTTU-NCKH-04 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2020 Tên đề tài: Tổng hợp đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite magnesium aminoclay-titanium oxide phủ sợi than hoạt tính Số hợp đồng: 2020.01.013 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Ngọc Thanh Đon vị công tác: Viện Kỳ thuật Công nghệ cao NTT- Đại học Nguyễn Tất Thành Thời gian thực hiện: tháng (03/2020 - 11/2020) TP Hồ Chí Minh, ngày 30 thảng 11 năm 2020 MỤC LỤC MỞĐẰU CHƯƠNG TÓNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường 1.2 Giới thiệu vật liệu quang xúc tác TÌƠ2 TĨƠ2 hồ trợ (Supported TiO2) 1.3 Giới thiệu vật liệu hấp phụ “Aminopropyl functionalized phyllosilicates” (aminoclay) 1.4 Giới thiệu chất gây ô nhiễm xanh malachite 1.5 Tình hình nghiên cứu vật liệu quang xúc tác dựa TiƠ2 phân hủy chất nhuộm gây ô nhiễm CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 10 2.1 Vật liệu nghiên cứu 10 2.2 Phương pháp nghiên cứu 10 2.2.1 Tông họp vật liệu magnesium aminoclay-titanium oxide phủ sợi than hoạt tính (MgAC-TiO2/ACF) 10 2.2.2 Đánh giá tính chất hấp phụ xanh malachite nước MgAC-TiCWACF 11 2.2.3 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite MgAC- TiO2/ACF 13 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16 3.1 Khối lượng vật liệu MgAC-TiO2 cố định ACF 16 3.2 Tính chất hấp phụ xanh malachite nước MgAC-TiO2/ACF 16 3.3 Hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite cùa MgAC-TiCh/ACF 18 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO .22 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ ACF : Activated carbon fiber APTES : (3-Aminopropyl)trielthoxylane MgAC : Magnesium aminoclay MgAC-TiO2/ACF : Magnesium aminoclay-TiO2 phủ lên sợi than hoạt tính PM : Bụi mịn - Particulate matter ppm : parts per million TB : Tetrabutyl titanate uv : Tia cực tím - Ultraviolet VOCs : Chat hữu dễ bay - Volatile organic compounds WHO : Tổ chức Y tế Thế giới - World Health Organization DANH MỤC CÁC sơ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể TĨƠ2 rutile, brookite, anatase Hình 1.2 Cấu trúc lý tưởng (hai chiều) magnesium aminoclay Hình 1.3 Cấu trúc hóa học cùa xanh malachite Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp vật liệu magnesium aminoclay-titanium oxide phủ sợi than hoạt tính (MgAC-TiO2/ACF) 11 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình đánh giá khả hấp phụ xanh malachite theo nồng độ vật liệu 12 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite theo nồng độ vật liệu 14 Hình 3.1 Sự thay đổi nồng độ tương đối xanh malachite theo thời gian hấp phụ MgAC-TiO2/ACF (1 cm X cm MgAC-TiO2/ACF, pH 6,5) 17 DANH MỤC CÁC BẢNG BIÉU Bảng 3.1 Thời gian đạt cân hấp phụ hiệu suất hấp phụ xanh malachite ACF MgAC-TiO2/ACF 18 Bảng 3.2 Hiệu suất xử lí xanh malachite ACF MgAC-TiCh/ACF tối chiếu xạ uv sau thời điếm cân hấp phụ 20 TÓM TẮT KỂT QUẢ NGHIÊN cứu Kết quà đạt Công việc thực STT Tổng hợp vật liệu magnesium Vật liệu MgAC-TiO2/ACF với khối aminoclay-titanium oxide phủ lượng MgAC-TiO2 cố định trên sợi than hoạt tính (MgAC- miếng ACF (5 cm X cm) sau T1O2/ACF) nung 50,2 ± 2,9 mg Đánh giá tính chất hấp phụ xanh Thời gian đạt cân băng hâp phụ malachite nuớc vật liệu nồng độ xanh malachite 10 ppm, MgAC-TiO2/ACF 12,5 ppm 15 ppm MgACTiO2/ACF (1 cm X cm) 100 phút, 100 phút 180 phút với phần trăm hấp phụ tương ứng 58,90%, 54,24% 65,60% Đánh giá hoạt tính quang xúc tác Hiệu suất quang xúc tác phân hủy phân hủy xanh malachite xanh MgAC-TiO2/ACF malachite MgAC- TiO2/ACF (1 cm X cm) nồng độ 10 ppm, 12,5 ppm 15 ppm 27,36%, 5,34% 0,82% Sản phẩm đạt STT Sản phẩm đăng ký Quy trình tống hợp vật liệu Quy trình tống hợp vật liệu magnesium aminoclay-titanium magnesium aminoclay-titanium oxide co định sợi than hoạt oxide cố định sợi than hoạt tính tính 01 thảo báo đăng Tạp 01 báo đăng Tạp chí khoa chí khoa học cơng nghệ đại học học công nghệ đại học Nguyễn Tất Nguyền Tất Thành Thành Thời gian thực hiện: 03/2020 - 11/2020 Thời gian nộp báo cáo: 30/11/2020 MỞ ĐẦU nhiễm môi trường vấn đề nan giải mà người phải đối mặt nhiễm môi trường không ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái, thiên nhiên mà ảnh hưởng đến phát triển kinh tế sức khỏe người Các nghiên cứu ô nhiễm môi trường, phục hoi môi trường giảm thiếu ô nhiễm nhận quan tâm toàn giới Đặc biệt, nghiên cứu chất quang xúc tác phân hủy chất gây ô nhiễm không khí nước coi trien vọng hoàn cảnh Mặc dù T1O2 hay nano T1O2 ứng dụng nhiều lình vực này, vần có hạn chế định, mà kết họp với chất hồ trợ xốp sợi than hoạt tính (activated carbon fiber-ACF) tăng hiệu quang xúc tác phân hủy chất gây nhiễm Bên cạnh đó, aminopropyl functionalized phyllosilicates” (aminoclay) loại vật liệu bắt chước đất sét (clay-mimicking material) với khả hấp phụ cao lại tan tốt nước, nghiên cứu năm gần để hấp phụ chất độc hại làm tác nhân kháng khuẩn Đe khắc phục nhùng hạn chế T1O2 sợi than hoạt tính xử lí chất nhiễm, đề tài thực nhằm đánh giá khả quang xúc tác phân hủy xanh malachite vật liệu composite aminoclay-TiCh phủ lên sợi than hoạt tính tống họp phản ứng sol-gel đơn giản Khối lượng MgAC-TiO2 phủ miếng ACF (5 cm X cm) sau nung 50,2 ± 2,9 mg Thông qua phương pháp gián đoạn, tính hấp phụ cùa MgAC-TiCh/ACF đánh giá nong độ xanh malachite ban đầu khác Thời điểm đạt cân hấp phụ dung dịch xanh malachite 10 ppm, 12,5 ppm 15 ppm 100 phút, 100 phút 180 phút Tại thời điếm đạt cân hấp phụ, phần trăm hấp phụ xanh malachite mà MgAC-TiCh/ACF (1 cm X cm) đạt nong độ nói 58,90%, 54,24% 65,60% MgAC-TiCh/ACF chứng minh có hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite chiếu xạ tia cực tím Hiệu suất quang xúc tác bị ảnh hưởng nghịch nồng độ chất nhuộm Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh malachite cùa MgAC-TiCVACF (1 cm X cm) nồng độ 10 ppm, 12,5 ppm 15 ppm 27,36%, 5,34% 0,82% Nghiên cứu coi bước đầu nghiên cứu chế tạo vật liệu composite quang xúc tác xốp MgAC-TiCh/ACF có hoạt tính quang xúc tác cao ứng dụng xử lí chất nhiễm nước khơng khí CHƯƠNG TĨNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng ô nhiễm môi trường nhiễm môi trường nhiễm bẩn thành phần vật lý sinh học hệ thống đất/khí quyến đến mức độ mà q trình mơi trường bình thường bị ảnh hưởng xấu [1] Đây vấn đề nan giải mà người sinh vật khác phải đối mặt nhiễm môi trường diễn mơi trường khơng the xử lý vơ hiệu hóa sản phấm phụ độc hại gây hoạt động người theo quy trình mà khơng gây thiệt hại cấu trúc chức cho hệ thống môi trường nhiễm môi trường gia tăng toàn cầu từ khởi đầu cách mạng công nghiệp kỷ 19, trở thành vấn đề chung nước phát triển phát triển Có ba loại nhiễm mơi trường nhiễm khơng khí, nước đất [1] Tình trạng nhiễm khơng khí gia tăng đen mức báo động [1] Sự tăng nhanh dân số nhu cầu lượng dần đến phát thải chất ô nhiễm không khí ảnh hưởng môi trường xung quanh sức khỏe người [2] Các chất ô nhiễm làm suy giảm chất lượng khơng khí nitơ oxit (NOx), sulfur dioxit (SO2), cacbon monoxit (CO), chất hữu dễ bay (volatile organic compounds - VOCs), ozone (O3), bụi mịn (particulate matter - PM) [2] Nguồn ô nhiễm không khí đến từ lĩnh vực giao thông vận tải, đặc biệt khu vực thành thị Các nước phát triển phải gánh chịu phát thải từ phương tiện giao thông chiếm đến 70-80% ô nhiềm không khí, đặc biệt phát thải từ so lượng lớn phương tiện cũ với bảo tri kém, chất lượng nhiên liệu thấp, sở hạ tầng yếu [3, 4] Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mồi năm có đến bảy triệu trường hợp tử vong sớm hiệu ứng kết họp nhiễm khơng khí bên ngồi nhiễm khơng khí nhà, phần lớn tỉ lệ tử vong đột quỵ, bệnh tim, tắc nghẽn phổi mãn tính, ung thư phổi, nhiễm trùng đường hơ hấp cấp tính tăng cao [5] nhiễm nước gây chất thải sinh hoạt, thuốc diệt côn trùng, thuốc diệt cỏ, chất thải chế biến thực phẩm, chất thải ngành chăn nuôi, kim loại nặng, VOCs, chất thải hóa học, chất thải khác [1], Ngoại trừ bệnh nhiễm trùng, nhiễm giun gây việc uống phải nước bị ô nhiễm, người cịn có nguy mắc bệnh phát ban, đau mắt đỏ, bệnh đường tiêu hóa, bệnh đường hô hấp, viêm gan, viêm não, ung thư, vấn đề tổn hại đến nội tiết tố, gan, thận, vấn đe ảnh hưởng đến trình sinh sản phát triển gây chất ô nhiễm nước [1] Tại thành phố lớn, khu đô thị, khu cơng nghiệp cùa Việt Nam, tình trạng nhiễm mơi trường mức báo động q trình quy hoạch khu thị chưa gắn liền với vấn đề xử lý chất thải nước thải Theo ước tính, tong số 183 khu cơng nghiệp nước có 60% khu cơng nghiệp chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung Tại thị, có khoảng 60% - 70% chất thải rắn thu gom, sở hạ tầng thoát nước xử lý nước thải, chất thải nên chưa thể đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường Hầu hết lượng nước thải bị nhiễm dầu mỡ, hóa chất tẩy rửa, hóa phẩm nhuộm chưa xừ lý đổ thẳng sông, hồ [6] nhiễm môi trường thách thức lớn ảnh hưởng tiêu cực mà mang đen cho môi trường tự nhiên, hệ sinh thái, sức khỏe phát triển người Nghiên cứu ô nhiễm môi trường, phục hồi môi trường giảm thiểu ô nhiễm vấn đề quan tâm toàn giới Các nghiên cứu chất quang xúc tác phân hủy chất gây ô nhiễm coi triển vọng hoàn cảnh 1.2 Giới thiệu vật liệu quang xúc tác TiO: TiOỉ hỗ trợ (Supported TiOỉ) Titanium dioxide (T1O2) tinh the (Hình 1.1), đặc biệt pha anatase, vật liệu nhiều người biết đến với tính chất quang xúc tác bật hoạt tính quang xúc tác cao, khơng độc hại, oxi hóa mạnh tính bền quang cao [7, 8] Vật liệu có ứng dụng tiềm phân hủy nhiều chất ô nhiễm hữu độc hại nước khơng khí [8-13] Tuy nhiên, ứng dụng sản phấm vấp phải nhiều vấn đề dễ nhận thấy sử dụng T1O2 dạng bột hạt nano, chang hạn như: (1) khó khăn việc tách T1O2 khỏi mơi trường phản ứng, (2) khó khăn ứng dụng hệ huyền phù hạt vào trinh liên tục [14], (3) tăng chi phí vận hành hệ huyền phù trực tiếp nước, (4) nguy gây ô nhiễm thứ cấp gây hạt phân tán tự do, (5) tính chất hấp phụ đa số chất bị hấp phụ, (6) cần thiết q trình khuếch tán phân tử chất nhiễm đến trung tâm hoạt động, (7) khả tái hợp điện tử-lồ trống, vốn trình cần ngăn chặn đe trình quang xúc tác diễn hiệu [7, 15, 16]? T1O2 hồ trợ (Supported T1O2) lựa chọn phù hợp đe giải vấn đề này, nhiều nồ lực thực để cố định T1O2 lên chất hỗ trợ xốp [7], Trong số chất nền, sợi than hoạt tính (activated carbon fíber-ACF) sử dụng làm chất mang xúc tác cho mục đích khác loại vật liệu carbon xốp mịn với phân bố kích cỡ lồ vi xốp đồng tích lồ xốp lớn so với than hoạt tính dạng hạt [17-19] Ngồi ra, ACF dạng vải ưu tiên sử dụng nhiều chất mang dạng hạt [20, 21] Mặc dù có diện tích bề mặt riêng lớn tạo nên tính hấp phụ hiệu với nhiều chất bị hấp phụ, thân ACF phân hủy chúng [7] Brookite Rutile Hình 1.1 Cấu trúc tinh TĨƠ2 rutile, brookite, anatase Nguồn: James cộng (2017) [22] Bằng việc kết hợp chất quang xúc tác T1O2 với chất hấp phụ ACF hay magnesium aminoclay (MgAC), chất nhiễm bị hấp phụ bị quang xúc tác phân hủy tia cực tím [7, 8, 15, 19], điều có the khắc phục khuyết diem mồi loại vật liệu Hơn nữa, nghiên cứu Li cộng (2017) cho thấy hiệu ứng hợp lực tính hấp phụ cùa ACF tính quang xúc tác phân hủy T1O2, tạo nên hiệu suất phân hủy chất ô nhiềm cao [23] 22 Haggerty, J.E.S.; Schelhas, L.T.; Kitchaev, D.A.; Mangum, J.S.; Garten, L.M.; Sun, w.; Stone, K.H.; Perkins, J.D.; Toney, M.F.; Ceder, G., et al High-fraction brookite films from amorphous precursors Scientific Reports 2017, 7, 15232 23 Li, M.; Lu, B.; Ke, Q.-F.; Guo, Y.-J.; Guo, Y.-P Synergetic effect between adsorption and photodegradation on nanostructured TiCb/activated carbon fiber felt porous composites for toluene removal Journal of Hazardous Materials 2017, 333, 88-98 24 Koh, S.-M.; Dixon, J.B Preparation and application of organo-minerals as sorbents of phenol, benzene and toluene Applied Clay Science 2001, 18, 111-122 25 Wibowo, N.; Setyadhi, L.; Wibowo, D.; Setiawan, J.; Ismadji, s Adsorption of benzene and toluene from aqueous solutions onto activated carbon and its acid and heat treated forms: Influence of surface chemistry on adsorption Journal of Hazardous Materials 2007, 146, 237-242 26 Boyd, S.A.; Mortland, M.M.; Chiou, C.T Sorption characteristics of organic compounds on hexadecyltrimethylammonium-smectite Soil Science Society of America Journal 1988, 52, 652-657 27 õya, A.; Banse, T.; Ohashi, F.; õtani, s An antimicrobial and antifungal agent derived from montmorillonite Applied Clay Science 1991, 6, 135-142 28 Lee, Y.C.; Jin, E.; Jung, S.W.; Kim, Y.M.; Chang, K.S.; Yang, J.W.; Kim, S.W.; Kim, Y.O.; Shin, H.J Utilizing the algicidal activity of aminoclay as a practical treatment for toxic red tides Sci Rep 2013, 3, 1292 29 Lee, Y.-C.; Kim, E.J.; Shin, H.-J.; Choi, M.; Yang, J.-W Removal of F~, NƠ3-, and PƠ43- ions from aqueous solution by aminoclays Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2012, 18, 871-875 30 Lee, Y.-C.; Kim, E.J.; Yang, J.-W.; Shin, H.-J Removal of malachite green by adsorption and precipitation using aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate Journal of Hazardous Materials 2011, 192, 62-70 31 Lee, Y.-C.; Park, W.-K.; Yang, J.-W Removal of anionic metals by aminoorganoclay for water treatment Journal of Hazardous Materials 2011, 190, 652- 658 24 32 A.S.O.; Moscofian, Pires, C.T.G.V.M.T.; Vieira, A.P.; Airoldi, c Organofunctionalized magnesium phyllosilicates as mono- or bifunctitonal entities for industrial dyes removal RSC Advances 2012, 2, 3502-3511 33 Lee, Y.-C.; Lee, H.U.; Lee, K.; Kim, B.; Lee, S.Y.; Choi, M.-H.; Farooq, w.; Choi, J.S.; Park, J.-Y.; Lee, J., et al Aminoclay-conjugated TĨƠ2 synthesis for simultaneous harvesting and wet-disruption of oleaginous chlorella sp Chemical Engineering Journal 2014, 245, 143-149 34 Ameta, K.L.; Papnai, N.; Ameta, R Synthesis, characterization, and use of novel bimetal oxide catalyst for photoassisted degradation of malachite green dye Journal ofMaterials 2014, 2014, 1-5 35 Yang, J.; Xu, X.; Liu, Y.; Gao, Y.; Chen, FL; Li, H Preparation of SiO2@TiO2 composite nanosheets and their application in photocatalytic degradation of malachite green at emulsion interface Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2019, 582, 123858 36 Chen, C.C.; Lu, C.S.; Chung, Y.C.; Jan, J.L ƯV light induced photodegradation of malachite green on T1O2 nanoparticles Journal of Hazardous Materials 2007, 141, 520-528 37 Schnick, R.A The impetus to register new therapeutants for aquaculture The Progressive Fish-Culturist 1988, 50, 190-196 38 Ma, Y.; Ni, M.; Li, s Optimization of malachite green removal from water by T1O2 nanoparticles under uv irradiation Nanomaterials 2018, 8, 428 39 de Santiago Colin, D.M.; Martinez-Chavez, L.A.; Cuán, A.; Elizalde-Pena, E.A.; Rivera, J.A.; Guzman, c.; Escobar-Alarcón, L.; Esquivel, K Sonochemical coupled synthesis of Cr-TiO2 supported on Fe3O4 structures and chemical simulation of the degradation mechanism of malachite green dye Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2018, 364, 250-261 40 Alzahrani, E Photodegradation of binary azo dyes using core-shell FesCWSiCh/TiCb nanospheres American Journal of Analytical Chemistry 2017, 08, 95-115 41 Arsalani, N.; Panahian, Y.; Nasiri, R Fabrication of novel magnetic F-TiO2 (B)/carbon nanostructures nanocomposites as photocatalysts for malachite green 25 degradation under visible light Materials Science and Engineering: B 2019, 251, 114448 42 Yilmaz, E.; Salem, s.; Sarp, G.; Aydin, s.; Sahin, K.; Korkmaz, I.; Yuvali, D TiO? nanoparticles and C-nanofibers modified magnetic Fe3Ơ4 nanospheres (TiO2@Fe3O4@C-NF): A multifunctional hybrid material for magnetic solid­ phase extraction of ibuprofen and photocatalytic degradation of drug molecules and azo dye Taianta 2020, 213, 120813 43 Znad, H.; Abbas, K.; Hena, s.; Awual, M.R Synthesis a novel multilamellar mesoporous T1O2/ZSM-5 for photo-catalytic degradation of methyl orange dye in aqueous media Journal of Environmental Chemical Engineering 2018, 6, 218- 227 44 Yang, L.; Chen, c.; Hu, Y.; Wei, F.; Cui, J.; Zhao, Y.; Xu, X.; Chen, X.; Sun, D Three-dimensional bacterial cellulose/polydopamine/TiCh nanocomposite membrane with enhanced adsorption and photocatalytic degradation for dyes under ultraviolet-visible irradiation Journal of Colloid and Interface Science 2020, 562,21-28 45 Bouazizi, A.; Breida, M.; Achiou, B.; Ouammou, M.; Calvo, J.I.; Aaddane, A.; Younssi, S.A Removal of dyes by a new nano-TiO2 ultrafiltration membrane deposited on low-cost support prepared from natural moroccan bentonite Applied Clay Science 2017, 149, 127-135 46 Shah, L.A.; Malik, T.; Siddiq, M.; Haleem, A.; Sayed, M.; Naeem, A TÌO2 nanotubes doped poly(vinylidene fluoride) polymer membranes (PVDF/TNT) for efficient photocatalytic degradation of brilliant green dye Journal of Environmental Chemical Engineering 2019, 7, 103291 47 Yao, s.; Li, J.; Shi, z Immobilization of T1O2 nanoparticles on activated carbon fiber and its photodegradation performance for organic pollutants Particuology 2010, 5,272-278 48 Han, c.; Jing, M.-X.; Shen, X.-Q.; Qiao, G.-J Preparation and characterization of 3D Nano Fe2O3-TiO2@activated carbon fiber membrane for waste water treatment Journal ofNanoscience and Nanotechnology 2017,17, 5327-5334 26 49 Hazzaa, R.; Hussein, M Adsorption of cationic dye from aqueous solution onto activated carbon prepared from olive stones Environmental Technology & Innovation 2015, 4, 36-51 50 Allen, S.J.; Gan, Q.; Matthews, R.; Johnson, P.A Kinetic modeling of the adsorption of basic dyes by kudzu J Colloid Interface Sci 2005, 286, 101-109 27 PHỤ LỤC 3: MINH CHÚNG ĐI KÈM SÀN PHẤM DẠNG 2: Quy trình tổng hợp vật liệu magnesium aminoclay- titanium oxide cố định sợi than hoạt tính MgCl2«6H2O Hòa tan Phản ứng với APTES ethanol Dung dịch MgAC Sấy Nghiền 40°C mịn Bột MgAC Hòa tan Phản ứng với ethanol TB Gel MgAC-TiO2 Ngâm ACF phút, gel lặp lại lần ACF phú MgAC-TiO2 Nung Sấy khơng khí, 60°C 350°C, Vật liệu MgAC-TiO2/ACF \ SẢN PHẤM DẠNG 3:01 Bài báo khoa học “Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite magnesium aminoclay-titan dioxit phủ sợi than hoạt 28 tính” nộp cho tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Nguyên Tât Thành CẼẼP 11 42 (11 trước) Ngoe Thanh Nguyen tà tới tapchikhcn ■» Kính gửi Ban biên tâp Tap chí Khoa hoe Cơng nghệ - Đai học Nguyền Tầt Thành Tối Nguyễn Ngoe Thanh Chuyẻn viên nghiên cứu - Viên Kỹ thuảt cỏng nghè cao NTT Tỏi xin gửi lai bàn thảo bãi bão "Đánh giã hoat tinh quang xúc tác phán hủy xanh malachite cùa magnesium aminoclay*titan dioxit phủ trẽn soi than hoat tính" Rầt mong nhân phản từ Ban biẻn tâp Trân Nguyễn Ngoe Thanh Nguyen Ngoe Thanh Email nnthanh1080qmail com Skype: nguyên 1080 tệp đính kèm £3 Bai bao NTT-Đánh □ Phieu dang ki nop □ Phieu dang ki nop 29 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite magnesium aminoclaytitan dioxit phù sợi than hoạt tính Nguyền Ngọc Thanh1 'Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT, Đại học Nguyền Tất Thành thanhnn@ntt.edu Tóm tắt Mặc dù titan dioxit (T1O2) hay nano-TiO? ứng dụng nhiều phân hủy chất gây ô nhiềm có hạn chế định Để khắc phục hạn chế T1O2 cải thiện khả quang xúc tác phân hủy chất gây ô nhiễm T1O2, đề tài thực nhằm đánh giá khả quang xúc tác phân hủy xanh malachite vật liệu composite aminoclay-TiO2 phủ lên sợi than hoạt tính tổng hợp phản ứng sol-gel đơn giản từ (3-Aminopropyl)trielthoxylane, etanol, magie clorua ngậm nước, tetrabutyl titanate vải than hoạt tính (ACF) Khối lượng MgAC-TiO2 phủ miếng ACF (5 cm X cm) sau nung 50,2 ± 2,9 mg MgAC-TiCh/ACF chứng minh có hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite chiếu xạ tia cực tím 365 nm Hiệu suất quang xúc tác bị ảnh hưởng nghịch nồng độ xanh malachite Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh malachite MgAC-TiCh/ACF (1 cm X cm) nồng độ 10 ppm, 12,5 ppm 15 ppm 27,36%, 5,34% 0,82% Từ khóa: aminoclay, quang xúc tác, titan dioxit, xanh malachite trường nhiều loại chất hữu cơ, vi Giói thiệu khuẩn, virus, nấm, tảo, tế bào ung thư Titan dioxit (T1O2) oxit kim loại pha khí pha lỏng [2, 3], bán dần, dùng chất quang xúc vần có hạn chế định ứng tác thơng dụng nhờ đặc tính nối trội dụng thực tế sử dụng T1O2 dạng bột hoạt tính quang xúc tác tính bền hạt nano như: quang cao, oxi hóa mạnh, khơng • độc hại [1] Vật liệu có nhừng ứng • dụng tiềm khử nhiễm mơi 30 khó tách T1O2 khói mơi trường phàn ứng: khó ứng dụng huyền phù T1O2 trình liên tục [4]; • • • • trung tâm, bắt cặp (tỉ lệ 1:1 thành cấu trúc nguy gây ô nhiễm thứ cấp hạt bị phân tán; khả hấp phụ với nhiều chất; cần thiết cùa q trình khuếch tán phân tù chất nhiễm đen trung tâm hoạt động; tái tổ hợp cùa điện từ—lồ can ngăn chặn ngăn chặn đe trình quang xúc tác diễn hiệu quâ [5-7].' bát diện đơi) xen kẽ với nhóm chức amino theo (tỉ lệ 2:1 thành cấu trúc bát diện ba) liên kết cộng hóa trị [12] Magnesium aminoclay (MgAC) nghiên cứu đế ứng dụng xử lí chất ô nhiễm [14-17] làm chất mẫu cho phát triển hạt nano [18] T1O2 hồ trợ lựa chọn phù hợp Đe khắc phục khuyết điểm loại để giải vấn đề Trong số vật liệu xử lí triệt để chất bị hấp phụ, chất hồ trợ, sợi than hoạt tính T1O2 kết họp với chất hấp phụ (activated carbon fiber, ACF) thường ACF hay aminoclay để phân hủy sử dụng làm chất mang xúc tác cho chất chiếu xạ tia cực tím [1, 5, 6, mục đích khác loại vật 10] liệu carbon xốp mịn với phân bố kích Trong cờ lồ vi xốp đồng tích lỗ hủy xanh malachite vật liệu đánh tích bề mặt riêng lớn, thân ACF giá nồng độ xanh malachite khác không the phân hủy chất [5], chức hóa composite đơn giản khả quang xúc tác phân nhiều chất bị hấp phụ nhờ vào diện lớp này, tổng họp phản ứng sol-gel [8-10] Mặc dù có khả hấp phụ hiệu silicat cứu magnesium aminoclay-TiCh phủ ACF xốp lớn so với than hoạt tính dạng hạt Các nghiên Vật liệu phương pháp aminopropyl (gọi tắt aminoclay) loại vật liệu bắt chước đất sét 2.1 Vật liệu với nhừng tính chất độc nhất: khả hấp phụ cao, khả phân tán tốt Các nước xếp chồng dung môi phân Aminopropyl)trielthoxylane cực [11], nhiều nhóm chức kích Aldrich, thước hạt có the kiểm soát [12], (Xilong, Trung Quốc), magie clorua ngậm hòa tan aminoclay diễn nước khoảng pH rộng [13] Aminoclay mô Quốc), nước khử ion, tetrabutyl titanate tả có cấu trúc cation kim loại (Ti(OCH2CH2CH2CH3)4 (Sigma-Aldrich, 31 hóa Hoa (3- chất Kỳ), (MgCl2*6H2O) etanol (Sigma(C2H5OH) (Xilong, Trung MgAC-TiƠ2 sấy nhiệt độ 60°C Hoa Kỳ), vải than hoạt tính (ACF) (COCO AC, Việt Nam), xanh ([C6H5C(C6H4N(CH3)2)2]C1) malachite nung khơng khí nhiệt độ 350°C (Xilong, trong lò nung ELF 11/6B Trung Quốc) dùng chế tạo vật (Carbolite Gero, Anh) liệu thí nghiệm kiểm tra hoạt tính quang xúc tác vật liệu tạo thành 2.3 Đánh giá khả quang xúc tác phân hủy xanh malachite MgAC-TiCh/ACF 2.2 Tổng họp MgAC-TiO2/ACF Hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite nồng độ 10 ppm, 12,5 MgC12*6H2O hòa tan etanol ppm 15 ppm vật liệu MgAC- 95% v/v theo tỉ lệ 4,2 g MgC12‘6H2O 100 mL etanol Aminopropyl)trielthoxylane (3- T1O2/ACF đánh giá Thí nghiệm thêm quang xúc tác phân hủy xanh malachite (pH « 6,5) tiến hành điều kiện vào dung dịch theo tỉ lệ 2,6 mL 100 mL dung dịch dung dịch khuấy liên tục với tốc độ 120 rpm, nhiệt khuấy liên tục Huyền phù tạo độ phòng khoảng 28°c, be phản ứng đìa thành ly tâm để thu chất lắng chất petri thủy tinh (0150 mm X 20 mm) chứa lẳng đuợc sấy khô nhiệt độ 40°C Chất 100 mL dung dịch xanh malachite, mẫu rắn màu trắng (MgAC) thu sau vật liệu mồi phản ứng có kích thước sấy nghiền mịn Đe tổng họp cm X cm Hệ thống chiếu xạ tia MgAC-TiO2/ACF, 0,75 g bột MgAC cực tím có bước sóng 365 nm đèn hòa tan 100 mL etanol 95% v/v, sau uv 2,6 mL tetrabutyl titanate thêm Huazhitai vào Huyền phù khuấy 10 Trước chiếu xạ, mẫu vật liệu phút trước 50 pL nước khử ion ngâm dung dịch xanh malachite đặt thêm vào khuấy liên tục 12 đe tối đến đạt cân hấp phụ q trình thủy phân già hóa xảy Dung dịch xanh malachite thu mầu Miếng sợi than hoạt tính (ACF) với kích vào thời diem đạt cân hấp phụ thước cm X cm ngâm gel mồi mốc 20 phút chiếu xạ uv Sau tạo thành phút, lấy để khô thời gian chiếu xạ 120 phút, mầu dung khơng khí sau phủ MgAC-TiO2 dịch xanh malachite li tâm (10.000 lần Miếng ACF sau phủ rpm) đế loại bỏ cặn đo độ hấp thụ 32 HZT-1101B-1130B Technology, (Shenzhen Trung Quốc) bước sóng 618 nm máy đo quang phổ UV/VIS Genova 736501 Hiệu suất hấp phụ tối (Ehptt) Plus MgAC-TiCh/ACF thí nghiệm tính theo công thức sau: (Jenway, Anh) Đe loại trừ ảnh hưởng hấp phụ xanh malachite ACF, thí nghiệm tối tiến hành tưong tự Efiptt = x 100% Cũ (2) không chiếu xạ ƯV Hiệu suất xử lí xanh malachite dựa Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh suy giảm nồng độ cùa xanh (Ext) cùa MgAC-TiCh/ACF malachite mầu the thay malachite đổi cường độ đỉnh hấp thụ quang cực đại tính theo cơng thức sau: bước sóng 618 nm Hiệu suất xử lí Ext = EX1 ~ Ehptt xanh malachite tống (Exi) tính theo (3) cơng thức sau: Exi hiệu suất xử lí tong Exl = X 100% tính theo công thức (1) Ehptt hiệu suất (1) hấp phụ tính theo cơng thức (2) Co c nồng độ Ket thảo luận thời điểm bắt đầu (thời điểm đạt cân hấp phụ) nồng độ thời điểm kết thúc thí nghiệm 33 Nồng độ xanh malachite tirong đối C/Co (%) 100 —o — —V— —□— —o— ACF, 10 ppm ACF, 12,5 ppm ACF, 15 ppm MgAC-TiO2/ACF, lOppm -57— MgAC-TO2/ACF, 12,5 ppm -a- MgAC-T»2/ACF, 15 ppm —o— MgAC-TiO,/ACF, 10 ppm, uv —57— MgAC-TiO,/ACF, 12,5 ppm, uv -a- MgAC-TiOj/ACF, 15 ppm, uv 0 20 40 60 100 80 120 Thời gian (phút) Hình Sự thay đối nồng độ tương đối xanh malachite theo thời gian thí nghiệm đánh giá hoạt tính quang xúc tác MgAC-TiCh/ACF (Kích cờ mẫu cm X cm, pH 6,5) 34 Bảng Hiệu suất xử lí xanh malachite ACF MgAC-TiCh/ACF tối chiếu xạ uv sau thời điểm cân hấp phụ Mẩu Nồng độ Hiệu suất xử lí tổng Hiệu suất quang xanh malachite (%) xúc tác phân hủy (%) (ppm) ACF 10 25,69 — 12,5 48,00 — 15 16,40 — 10 94,76 27,36 12,5 54,12 5,34 15 73,36 0,82 MgACT1O2/ACF Ghi chú: Hiệu st xử lí tơng hiệu st hâp phụ đôi với mầu ACF tông hiệu suât hấp phụ quang xúc tác phân hủy mầu MgAC-TiCh/ACF ppm, MgAC-TiCh/ACF hiệu suất Ket luận quang xúc tác thấp (0,82%) Nồng độ ban đầu chất nhuộm có Lời cảm ơn ảnh huởng đến hiệu suất quang xúc tác Nghiên cứu tài trợ Truông phân hủy xanh malachite cùa MgAC- Đại học Nguyền Tất Thành, Thành phố T1O2/ACF Nồng độ xanh malachite có Hồ Chí Minh, Việt Nam ảnh hưởng nghịch đến hiệu suất quang xúc tác MgAC-TiCh/ACF nồng độ xanh malachite 10 ppm, MgAC-TiCh/ACF thể hiệu suất quang xúc tác cao (27,36%) nồng độ xanh malachite 15 35 Tài liệu tham khảo Yao, s.; Li, J.; Shi, z Immobilization of tio nanoparticles on activated carbon fiber and its photodegradation performance for organic pollutants Particuology 2010, 8, 272-278 Szczepanik, B Photocatalytic degradation of organic contaminants over clay-tio nanocomposites: A review Applied Clay Science 2017, 141, 227-239 Verbruggen, s.w Tio2 photocatalysis for the degradation of pollutants in gas phase: From morphological design to plasmonic enhancement Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 2015, 24, 64-82 Ray, A.K Design, modelling and experimentation of a new large-scale photocatalytic reactor for water treatment Chemical Engineering Science 1999, 54, 3113-3125 Yao, s.; Song, s.; Shi, z Adsorption properties and photocatalytic activity of tio2/activated carbon fiber composite Russian Journal of Physical Chemistry A 2014, 88, 1066-1070 Bui, V.K.H.; Park, D.; Tran, V.V.; Lee, G.W.; Oh, S.Y.; Huh, Y.S.; Lee, Y.c One-pot synthesis of magnesium aminoclay-titanium dioxide nanocomposites for improved photocatalytic performance Journal of nanoscience and nanotechnology 2018, 18, 6070-6074 Shao, X.; Lu, w.; Zhang, R.; Pan, F Enhanced photocatalytic activity of tio2-c hybrid aerogels for methylene blue degradation Scientific Reports 2013, 3, 3018 Fu, p.; Luan, Y.; Dai, X Preparation of activated carbon fibers supported tio2 photocatalyst and evaluation of its photocatalytic reactivity Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2004, 221, 81-88 Liu, J.-h.; Yang, R.; Li, s.-m Preparation and application of efficient tio2/acfs photocatalyst Journal ofEnvironmental Sciences 2006, 18, 979-982 10 Shi, J.; Zheng, J.; Wu, p.; Ji, X Immobilization of tio2 films on activated carbon fiber and their photocatalytic degradation properties for dye compounds with different molecular size Catalysis Communications 2008, 9, 1846-1850 11 Datta, K.K.R.; Achari, A.; Eswaramoorthy, M Aminoclay: A functional layered material with multifaceted applications Journal of Materials Chemistry A 2013, 1, 67076718 12 Lee, Y.-C.; Jin, E.; Jung, S.W.; Kim, Y.-M.; Chang, K.S.; Yang, J.-W.; Kim, s.w.; Kim, Y.-O.; Shin, H.-J Utilizing the algicidal activity of aminoclay as a practical treatment for toxic red tides Scientific Reports 2013, 3, 1292 13 Yang, L.; Choi, S.-K.; Shin, H.-J.; Han, H.-K 3-aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate as an organoclay based drug carrier for improving the bioavailability of flurbiprofen Int J Nanomedicine 2013, 8, 4147-4155 14 Lee, Y.-C.; Park, W.-K.; Yang, J.-W Removal of anionic metals by aminoorganoclay for water treatment Journal of Hazardous Materials 2011,190, 652-658 15 Lee, Y.-C.; Kim, E.J.; Shin, H.-J.; Choi, M.; Yang, J.-W Removal of f-, no3-, and po43- ions from aqueous solution by aminoclays Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2012, 18, 871-875 16 Lee, Y.C.; Kim, E.J.; Yang, J.W.; Shin, H.J Removal of malachite green by adsorption and precipitation using aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate J Hazard Mater 2011, 192, 62-70 17 Moscofian, A.S.O.; Pires, C.T.G.V.M.T.; Vieira, A.P.; Airoldi, c Organofunctionalized magnesium phyllosilicates as mono- or bifunctitonal entities for industrial dyes removal RSC Advances 2012, 2, 3502-3511 18 Lee, Y.-C.; Lee, H.U.; Lee, K.; Kim, B.; Lee, S.Y.; Choi, M.-H.; Farooq, w.; Choi, J.S.; Park, J.-Y.; Lee, J., et al Aminoclay-conjugated tio2 synthesis for simultaneous harvesting and wet-disruption of oleaginous chlorella sp Chemical Engineering Journal 2014, 245, 143-149 19 Chen, C.C.; Lu, C.S.; Chung, Y.C.; Jan, J.L Uv light induced photodegradation of malachite green on tio2 nanoparticles J Hazard Mater 2007,141, 520-528 Evaluate the photocatalytic malachite green degradation activity of magnesium aminoclay-titanium dioxide coated on activated carbon fiber Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite magnesium aminoclaytitan dioxit phủ sợi than hoạt tính Nguyen Ngoe Thanh1 ■NTT Hi-Tech Institute, Nguyen Tat Thanh University thanhnn@ntt.edu Abstract Although titanium dioxide (TiO?) or nano-TiOi has been universally applied in the degradation of pollutants, there are still limitations In order to overcome the limitations of T1O2 and improve the photocatalytic pollutant degradation efficiency of T1O2, the present study was carried out to evaluate the photocatalytic malachite green degradation ability of magnesium aminoclay-titanium dioxide coated on activated carbon fiber synthesized by a facile sol-gel method from (3-Aminopropyl)trielthoxyIane, ethanol, hydrated magnesium chloride, tetrabutyl titanate and activated carbon fiber (ACF) The weight of MgAC-TiO2 coated on ACF (5 cm X cm) after calcination was 50,2 ± 2,9 mg MgAC-TiCh/ACF was proven to have photocatalytic malachite green degradation activity under uv irradiation of 365 nm The photocatalytic efficiency was inversely affected by malachite green concentration The photocatalytic malachite green degradation efficiencies of MgAC-TiCh/ACF (1 cm X cm) at concentrations of 10 ppm, 12.5 ppm and 15 ppm were 27.36%, 5.34% and 0.82%, respectively Keywords: aminoclay, malachite green, photocatalytic, titanium dioxide ... kiểm tra hoạt tính quang xúc tác vật liệu tạo thành 2.3 Đánh giá khả quang xúc tác phân hủy xanh malachite MgAC-TiCh/ACF 2.2 Tổng họp MgAC-TiO2/ACF Hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite. .. thiện khả quang xúc tác phân hủy chất gây ô nhiễm T1O2, đề tài thực nhằm đánh giá khả quang xúc tác phân hủy xanh malachite vật liệu composite aminoclay-TiO2 phủ lên sợi than hoạt tính tổng hợp phản... fiber Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite magnesium aminoclaytitan dioxit phủ sợi than hoạt tính Nguyen Ngoe Thanh1 ■NTT Hi-Tech Institute, Nguyen Tat Thanh University thanhnn@ntt.edu