TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC PHẠM THỊ THU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ZnO PHA TẠP Co2+ LÀM QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY DB71 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa Học Vơ Cơ HÀ NỘI - 2019 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC PHẠM THỊ THU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ZnO PHA TẠP Co2+ LÀM QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY DB71 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa Học Vơ Cơ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN QUANG HÀ NỘI - 2019 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Văn Quang hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình hồn thiện khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy mơn Vơ cơ, khoa Hóa Học trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ em sở vật chất tận tình bảo em suốt trình tiến hành thí nghiệm Em xin chân thành cảm ơn Viện Nghiên Cứu khoa học ứng dụng trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội giúp đỡ em việc đo đạc Cuối em xin chân thành cảm ơn trao đổi, đóng góp ý kiến bạn nhóm nghiên cứu khoa học giúp đỡ em nhiều q trình hồn thiện khóa luận lòng biết ơn sâu sắc đến người thân, gia đình bạn bè động viên khích lệ tạo niềm tin giúp em phấn đấu học tập hồn thiện khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Xuân Hòa, ngày 23 tháng 05 năm 2019 Tác giả Phạm Thị Thu MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài lịch sử nghiên cứu Lịch sử nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Công nghiệp dệt nhuộm ô nhiễm nƣớc thải dệt nhuộm 1.1.1 Công nghiệp dệt nhuộm 1.1.2 Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm 1.2 Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải dệt nhuộm 1.2.1 Các phương pháp ngăn ngừa, giảm thiểu nhiễm thực trình sản xuất 1.2.2 Phương pháp oxy hóa tăng cường - AOP việc xử lý nước thải dệt nhuộm 1.3 Giới thiệu oxit ZnO 1.3.1 Cấu trúc tinh thể ZnO 1.3.2 Ứng dụng ZnO 1.4 Vật liệu ZnO pha tạp kim loại 1.5 Xúc tác quang hóa 1.5.1 Xúc tác quang ZnO 1.5.2 Xúc tác quang ZnO pha tạp kim loại 10 Chƣơng THỰC NGHIỆM 12 2.1 Dụng cụ hóa chất 12 2.1.1 Dụng cụ 12 2.1.2 Hóa chất 12 2.2 Tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp Co 12 2.3 Pha dung dịch DB71 có nồng độ khác 13 2.4 Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc vật liệu 13 2.4.1 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 13 2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 14 2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 15 2.4.4 Phương pháp phổ hồng ngoại 15 2.4.5 Phương pháp đánh giá hiệu quang xúc tác nước thải dệt nhuộm 15 2.4.5.1 Lựa chọn nguồn chiếu sáng 15 2.4.5.2 Lựa chọn chất màu hữu để phân hủy 16 2.4.5.3 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch DB71 17 2.4.5.4 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác 18 2.4.5.5 Động học phản ứng quang xúc tác phân hủy DB71 vật liệu 19 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng Cobalt 20 3.2 Ảnh hƣởng lƣợng xúc tác ZnO pha tạp Co2+ 3% 26 3.3 Thành phần pha vật liệu ZnO:Co2+ 28 3.4 Ảnh chụp bề mặt vật liệu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 29 3.5 Phổ hồng ngoại 30 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT ABS Absorbance Độ hấp thụ quang CB Conduction Band Vùng dẫn Eg Band gap Energy Năng lượng vùng cấm SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV-Vis Ultra Violet - Visible Tử ngoại- Khả kiến VB Valence Band Vùng hóa trị XRD X - Rays Diffraction Nhiễu xạ tia X COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nguồn phát sinh đặc tính nước thải dệt nhuộm Bảng 3.1 Hiệu suất xử lý DB71 vật liệu ZnO pha tạp Co2+ 1% 21 Bảng 3.2 Hiệu suất xử lý DB71 vật liệu ZnO pha tạp Co2+ % 22 Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý DB71 vật liệu ZnO pha tạp Co2+ % 24 Bảng 3.4 Ảnh hưởng lượng xúc tác ZnO pha tạp Co2+ 3% 26 Bảng 3.5 Hằng số tốc độ phản ứng quang xúc tác với khối lượng xúc tác khác 27 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO Hình 1.2 Mơ tả chế xúc tác quang hóa ZnO Hình 1.3 Mơ tả chế xúc tác quang hóa ZnO pha tạp kim loại 11 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu ZnO pha tạp Co2+ 12 Hình 2.2 Sự nhiễu xạ tia X qua mạng tinh thể 14 Hình 2.3 Quang phổ đèn Compact 16 Hình 2.4 Đường chuẩn biểu diễn phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ DB71 18 Hình 3.1a Kết xử lý DB71 ZnO pha tạp Co2+ 1% 20 Hình 3.1b Hiệu xuất xử lý DB71 vật liệu ZnO pha tạp Co2+ 1% 21 Hình 3.2a Kết xử lý DB71 ZnO pha tạp Co2+ 3% 22 Hình 3.2b Hiệu suất xử lý DB71 vật liệu ZnO pha tạp Co2+ 3% 23 Hình 3.3a Kết xử lý DB71 ZnO pha tạp Co2+ 5% 23 Hình 3.3b Hiệu suất xử lý DB71 vật liệu ZnO pha tạp Co2+ 5% 24 Hình 3.4 Ảnh hưởng hàm lượng Coban đến hoạt tính quang xúc tác ZnO pha tạp Co2+ 25 Hình 3.5 Sự phụ thuộc hiệu suất xử lý DB71 vào lượng xúc tác ZnO pha tạp Co2+ 3% 27 Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu ZnO:Co2+ 28 Hình 3.7a Ảnh SEM vật liệu ZnO 29 Hình 3.7b Ảnh SEM ZnO pha tạp Co2+ 3% chế tạo phương pháp thủy nhiệt 29 Hình 3.8 Phổ hồng ngoại ZnO:Co2+ 3% 30 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài lịch sử nghiên cứu Nước ta thời kì hội nhập cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, cơng nghiệp khơng ngừng phát triển, đời sống nhân dân ngày ổn định Chính kéo theo nhiều yếu tố tác động xấu đến môi trường Đầu tiên phải kể đến nhiễm mơi trường nước khu đô thị, khu công nghiệp, làng nghề Ngân hàng giới ước tính, từ 17% đến 20% nhiễm nguồn nước công nghiệp xuất phát từ nhà máy dệt nhuộm xử lý vải Nước dùng cho sinh hoạt hàng ngày, nông nghiệp công nghiệp trở nên cạn kiệt dần Vì việc xử lý nước thải khu công nghiệp vấn đề cần thiết cấp bách người quan tâm Có nhiều phương pháp xử lý nước thải nghiên cứu phương pháp oxi hóa hợp chất hữu cách sử dụng xúc tác quang phương pháp có nhiều ưu điểm Trong năm gần đây, vật liệu bán dẫn làm xúc tác quang nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường tạo nguồn lượng sạch, có khả tái sinh từ việc tách nước tinh khiết thành H2 O2 Các chất bán dẫn oxide TiO2, ZnO, SnO2, có nhiều tự nhiên sử dụng rộng rãi chất xúc tác quang hóa, đặc biệt chất xúc tác quang cho trình dị thể Trong số đó, oxit ZnO đánh giá chất xúc tác có nhiều triển vọng việc phân hủy chất màu hữu khử trùng nước Khả xúc tác quang hóa ZnO cao so với TiO2 số oxide bán dẫn khác sở hấp thụ lượng xạ lượng mặt trời Tuy nhiên ZnO có lượng vùng cấm lớn (3,27 eV), tương ứng với vùng lượng ánh sáng cực tím chiếm khoảng 5% xạ ánh sáng mặt trời, hạn chế khả ứng dụng thực tế ZnO Nhằm cải thiện hoạt tính quang xúc tác, mở rộng phạm vi ứng dụng Oxide ZnO, cần thiết phải biến đổi tính chất electron cấu trúc nano ZnO, thu hẹp lượng vùng cấm giảm tốc độ tái kết hợp electron lỗ trống quang sinh Pha tạp kim loại vào mạng ZnO phương pháp hiệu làm tăng hoạt tính quang xúc tác ZnO Xuất phát từ thực tế sở khoa học trên, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo ZnO pha tạp Co2+ làm quang xúc tác phân hủy DB71” Lịch sử nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, người ta tìm vật liệu ZnO có nhiều thuộc tính đặc biệt nên đươc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Ngoài hướng nghiên cứu vật liệu việc tiếp tục phát triển kĩ thuật công nghệ tổng hợp hiệu cấu trúc vật liệu ZnO, khảo sát tính chất quang điện chúng, người mở rộng nghiên cứu tạp chất thích hợp để biến đổi thuộc tính vật liệu ZnO Một hướng nghiên cứu nhiều người quan tâm sử dụng ZnO chất cho q trình quang xúc tác Một nhóm tác giả “MR, Tripathi, Akhshay Singh Bhadwal, Rohit Kumar Gupta, Priti Singh, Archana Shrivastav, B.R Shrivastav” nghiên cứu thành công “ZnO nanoflowers: Novel biogenic synthesis and enhanced photocatalytic activity” Hạt nano ZnO dạng hoa tổng hợp hữu tăng cường hoạt tính quang “Để sử dụng ánh sáng mặt trời vào trình quang xúc tác ZnO cần thu hẹp vùng cấm Vì nhiều ion kim loại phi kim sử dụng để thay đổi thù hình ZnO Pha tạp ZnO ion kim loại khác cách thức hiệu để mở rộng khả hấp thụ ánh sáng từ vùng tử ngoại sáng vùng khả kiến Mặt khác việc tăng diện tích bề mặt chất xúc tác quang vấn đề đặt [1]” Nhóm nghiên cứu “Hồng Thị Phương Huế, Nguyễn Đình Bảng, Bùi Thị Ánh Nguyệt” Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN nghiên cứu “Hoạt tính quang xúc tác ZnO ZnO pha tạp Mn tổng hợp phương pháp đốt cháy” Trong số kim loại pha tạp phải kể đến Co nhà nghiên cứu sử dụng làm quang xúc tác Vì bán kính ion cobalt 0.58A phù hợp với zinc 0.60A ngồi dịch chuyển đáng kể phổ hấp thụ ZnO Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu nhóm tác giả “Biju Mani Rajbongshi, S.K Samdarshi” “Cobalt-doped zincblende-wurtzite mixed-phase ZnO photocatalyst nanoparticles with high activity in visible spectrum” “Hỗn hợp pha hạt nano ZnO zincblende-wurtzite pha tạp Cobalt quang xúc tác với hoạt tính cao quang phổ nhìn thấy được” Mục tiêu nghiên cứu + Chế tạo vật liệu ZnO pha tạp Co2+ phương pháp thủy nhiệt + Tìm vật liệu quang xúc tác có hiệu cao + Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến trình quang xúc tác + Nghiên cứu khả phân hủy DB71 ZnO pha tạp Co2+ 2.4.5.5 Động học phản ứng quang xúc tác phân hủy DB71 vật liệu [8] Để kiểm tra động học phản ứng quang xúc tác, mơ hình LangmuirHinshelwood sử dụng Đối với phản ứng rắn - lỏng, phương trình LangmuirHinshelwood biểu diễn: v  k.  k.K C / (1  KC) Trong v k tương ứng tốc độ phản ứng số tốc độ phản ứng,  độ che phủ bề mặt, K hệ số hấp phụ chất phản ứng C nồng độ cân chất phản ứng Khi nồng độ bé, K.C