Sử dụng SBA-16 tổng hợp từ vỏ trấu để xử lí một số chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước

ờ một hệ thống mao quản bên trong khá phát triển mà vật liệu mao quản có nhiều tính chất lý hóa ñặc biệt, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành khác nhau như hóa học, vật lý, luyện kim, sinh học…. Vật liệu vi mao quản zeolit ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và hấp phụ do diện tích bề mặt riêng khá lớn và hệ thống mao quản ñồng ñều. Tuy nhiên, do hạn chế về kích thước mao quản (ñường kính mao quản d < 2nm) nên không thích hợp ñối với việc thực hiện các quá trình xúc tác và hấp phụ các phân tử có kích thước lớn. Năm 1992, các nhà khoa học của công ty Mobil ñã tổng hợp thành công họ vật liệu mao quản trung bình M41S [9]. Các nhóm vật liệu mới này ñã khắc phục ñược nhược ñiểm cố hữu của zeolit do có kích thước mao quản lớn (2 < d < 50nm), sắp xếp trật tự, diện tích bề mặt riêng rất cao (500 – 1000m2/g) [7]. Hiện nay, nhóm vật liệu mao quản trung bình ñược các nhà khoa học quan tâm nhiều trên phương diện nghiên cứu tổng hợp và tìm kiếm ứng dụng. Như vậy, việc sử dụng một chất xúc tác hoặc một chất hấp phụ nào ñó rất phụ thuộc vào cấu trúc mao quản bên trong của vật liệu và diện tích bề mặt riêng của vật liệu. Vật liệu mao quản trung bình ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng ở Việt Nam, việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của các loại vật liệu này có rất hạn chế. Hơn nữa, nguồn silic truyền thống ñể tổng hợp nên vật liệu mao quản trung bình là TEOS tương ñối ñắt tiền nên hiệu quả kinh tế không cao. Do ñó, tìm nguồn nguyên liệu mới rẻ tiền ñể thay thế cho TEOS là rất cần thiết. Và nguồn nguyên liệu mà các nhà khoa học ñã tìm ñược là vỏ trấu. Sau khi tổng hợp ñược vật liệu mao quản trung bình từ vỏ trấu người ta sẽ ñi sâu vào tìm hiểu ứng dụng của nó. Theo chúng tôi biết, ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu tổng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 6 hợp vật liệu mao quản trung bình từ vỏ trấu. ðặc biệt chưa có công trình nào nghiên cứu về ứng dụng của vật liệu SBA-16 ñược tổng hợp từ vỏ trấu. SBA-16 tổng hợp từ trấu ñược sử dụng ñể hấp phụ và xúc tác phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường nước như phenol, metylen xanh, chloramphenicol, metyl ñỏ,…, làm chất mang trong xúc tác tổng hợp hữu cơ, xử lý nước thải, nước sinh hoạt, chế biến dầu mỏ làm tăng chỉ số octan, xetan, làm chất mang cho một số quá trình xúc tác. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn ñề tài: “Sử dụng SBA-16 tổng hợp từ vỏ trấu ñể xử lí một số chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nước” 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu − Mục tiêu nghiên cứu: Hấp phụ và xúc tác phân hủy ñược metylen xanh và phenol trong môi trường nước. − Nhiệm vụ nghiên cứu: + Tiến hành thực nghiệm ñể xác ñịnh hoạt tính hấp phụ và xúc tác phân hủy metylen xanh và phenol trong môi trường nước. + Chuẩn ñộ và ño phổ kích thích electron ñể ñánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu. 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu − ðối tượng nghiên cứu: vật liệu SBA-16 − Phạm vi nghiên cứu: vật liệu MQTB SBA-16 có khả năng hấp phụ nhiều chất hữu cơ như phenol, metylen xanh, chloramphenicol, metyl ñỏ,… Nhưng trong ñề tài này, chúng tôi chỉ ñề cập ñến khả năng hấp phụ của vật liệu MQTB ñối với metylen xanh và phenol. 4. Phương pháp nghiên cứu − Phương pháp lý thuyết: + Thu thập, xử lí tài liệu, tư liệu liên quan. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 7 + Nghiên cứu các công trình ñã công bố, ñịnh hướng các bước thực hiện. − Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành quá trình hấp phụ và xúc tác phân hủy metylen xanh và phenol trong môi trường nước. − Phương pháp phân tích, ñánh giá: + Phân tích các kết quả thu ñược bằng phương pháp chuẩn ñộ, phương pháp phổ kích thích electron (UV - VIS). + ðánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 8 B. NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) 1.1.1. Giới thiệu vật liệu mao quản trung bình (MQTB) Vật liệu rắn xốp có diện tích bề mặt riêng lớn và xốp nên nó ñược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, kỹ thuật ñể làm chất hấp phụ và chất xúc tác. Theo danh pháp UIPAC, dựa trên kích thước mao quản, vật liệu rắn xốp ñược chia làm ba loại: Vi mao quản (ñường kính mao quản d < 2nm), MQTB (2 < d < 50nm) và ñại mao quản (d > 50 nm) [3]. Vào những năm ñầu thập niên 90 của thế kỷ 20, lần ñầu tiên hai nhóm nghiên cứu ñộc lập của Nhật Bản và Mỹ ñã công bố tổng hợp thành công vật liệu silicat có cấu trúc trật tự, ñược gọi là vật liệu rây phân tử MQTB (MMS). Từ ñó ñã có nhiều vật liệu MMS ñược tổng hợp như FSM, M41S, HMS, MSU-x, SBA-15 và SBA- 16,….Các vật liệu cao cấp này có ñường kính mao quản ñồng ñều, kích thước mao quản trung bình (dao ñộng trong khoảng 20 - 100 A0), rộng hơn kích thước mao quản của zeolit từ 3 ñến 4 lần và diện tích bề mặt riêng vô cùng lớn (500 - 1000 m 2/g) [5]. Chính vì những ưu ñiểm như vậy nên vật liệu MQTB ñã mở ra một hướng phát triển to lớn trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ, khắc phục ñược những nhược ñiểm của zeolit như chuyển hóa ñược những phân tử có kích thước phân tử d < 2nm Vi mao quản (Micropore) Mao quản trung bình (Mesopore) 2 50nm ðại mao quản (Macropore) Hình 1.1. Phân loại mao quản của UIPAC PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 9 lớn, cồng kềnh. Do ñó chúng ñược ứng dụng nhiều trong chuyển hóa các phân tử dầu nặng, các sản phẩm từ các hợp chất thiên nhiên, xử lý các chất gây ô nhiễm có kích thước phân tử lớn [5]. Họ vật liệu M41S ñược tổng hợp bằng cách kết hợp một cách thích hợp nguồn silic (tetra etyl ortho silicat hay thủy tinh lỏng), chất ñịnh hướng cấu trúc (ðHCT) ankyl trimetyl amoni halogenua (cetyl trimetyl amoni bromua), kiềm (NaOH hay tetra etyl amoni hiñroxit) và nước. Phụ thuộc vào bản chất của chất ðHCT, nồng ñộ, và nhiệt ñộ mà các pha giả bền có thể thu ñược là MCM-41 (có cấu trúc lục lăng), MCM-48 (có cấu trúc lập phương), MCM-50 (có cấu trúc lớp). Trên thế giới, vật liệu phân tử MQTB ñang ñược nghiên cứu và ứng dụng nhiều theo các hướng sau: Kết tinh lại mao quản bằng chất ðHCT thích hợp ñể có thể kiểm soát kích thước mao quản; trát hay tẩm lên mao quản một lớp vật liệu tinh thể làm chất xúc tác ñể có thể phát triển bề mặt của vật liệu xúc tác; tinh thể hóa tường vô ñịnh hình; thay thế ñồng hình Si bằng các kim loại chuyển tiếp ñể có thể thay ñổi kích thước mao quản và lực axit [10]. 1.1.2. Phân loại vật liệu MQTB
Phân loại theo cấu trúc  Cấu trúc lục lăng (hexagonal): MCM-41, SBA-15,…  Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16,….  Cấu trúc lớp (laminar): MCM-50,…  Cấu trúc không trật tự (disordered): KIT-1, L3,… a - Lục lăng b - Lập phương c - Lớp Hình 1.2. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 10
Phân loại theo thành phần  Vật liệu MQTB chứa silic như: MCM-41, Al-MCM-41, Ti-MCM- 41, Fe-MCM-41, MCM-48, SBA-15,….  Vật liệu MQTB không chứa silic như: ZrO2, TiO2, Fe2O3,.... 1.1.3. Cơ chế hình thành vật liệu MQTB Hiện nay, có rất nhiều cơ chế ñược ñưa ra ñể giải thích quá trình hình thành vật liệu MQTB. Các cơ chế này ñều có một ñặc ñiểm chung là có sự tương tác của các chất ðHCT với các tiền chất vô cơ trong dung dịch. ðể tổng hợp vật liệu MQTB cần ít nhất 3 hợp phần: Chất ðHCT ñóng vai trò làm tác nhân ñịnh hướng cấu trúc vật liệu, nguồn vô cơ như silic nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản và dung môi (nước, bazơ,...) thường ñóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh [12] . Sơ ñồ chung có thể mô tả ở hình 1.3. 1.1.3.1. Cơ chế ñịnh hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng (Liquid Crystal Templating) Cơ chế này ñược các nhà nghiên cứu của hãng Mobil ñề nghị ñể giải thích sự hình thành vật liệu M41S (hình 1.4) [6]. Chất ðHCT + Tiền chất silicat ⇒ Hình 1.3. Sơ ñồ tổng quát hình thành vật liệu mao quản Hình 1.4. Cơ chế ñịnh hướng theo cấu trúc tinh thể lỏng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 11 Theo cơ chế này, trong dung dịch các chất ðHCT tự sắp xếp thành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các ñầu ưa nước của các phân tử ðHCT và ñuôi kị nước hướng vào trong. Các mixen ống này ñóng vai trò làm tác nhân tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lỏng dạng lục lăng. Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với ñầu phân cực của chất ðHCT thông qua tương tác tĩnh ñiện ( + -S I , - +S I , trong ñó S là chất ðHCT, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hydro (S0I0) và hình thành nên lớp màng silicat xung quanh mixen ống, quá trình polime hóa ngưng tụ silicat tạo nên tường vô ñịnh hình của vật liệu oxit silic MQTB. Các dạng silicat trong dung dịch có thể ñóng vai trò tích cực trong việc ñịnh hướng sự hình thành pha hữu cơ và vô cơ. Mặt khác, các phân tử chất ðHCT có vai trò quan trọng trong việc thay ñổi kích thước mao quản. Thay ñổi ñộ dài phần kị nước của chất ðHCT có thể làm thay ñổi cấu trúc mixen, do ñó tạo ra khả năng chế tạo các vật liệu MQTB có kích thước mao quản khác nhau. 1.1.3.2. Cơ chế sắp xếp silicat ống (Silicate Rod Assembly) [13] Trong quá trình tổng hợp MCM-41, pha tinh thể lỏng dạng lục lăng của chất ðHCT không hình thành trước khi thêm silicat, họ giả thiết sự hình thành 2 hoặc 3 lớp mỏng silicat trên một mixen ống chất ðHCT riêng biệt, các ống này ban ñầu sắp xếp hỗn loạn sau ñó mới thành cấu trúc lục lăng. Quá trình gia nhiệt và làm già dẫn ñến quá trình ngưng tụ của silicat tạo thành hợp chất MQTB MCM-41 (hình 1.5). 1.1.3.3. Cơ chế lớp silicat gấp (Silicate Layer Puckering) Theo Steel và các cộng sự [14], các ion chứa silic hình thành trên các lớp và các mixen ống của chất ðHCT. Quá trình làm già hỗn hợp làm cho các lớp này gấp lại, ñồng thời sự ngưng tụ silicat xảy ra hình thành nên cấu trúc MQTB. Hình 1.5. Cơ chế sắp xếp silicat ống PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 12 1.1.3.4. Cơ chế phù hợp mật ñộ ñiện tích (Charge Density Matching) Stucky và các cộng sự [15] cho rằng pha ban ñầu của hỗn hợp tổng hợp có cấu trúc lớp mỏng ñược hình thành từ sự tương tác giữa các ion silicat và các ion của chất ðHCT. Khi các phân tử silicat ngưng tụ, mật ñộ ñiện tích của chúng giảm xuống, ñồng thời các lớp silicat bị uốn cong ñể cân bằng mật ñộ ñiện tích với các nhóm chức của chất ðHCT, do ñó cấu trúc MQTB lớp mỏng chuyển thành cấu trúc MQTB lục lăng. 1.1.3.5. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc (Cooperative Templating) Cơ chế này ñược Huo và các cộng sự ñề nghị [16], trong một số trường hợp, nồng ñộ chất ðHCT có thể thấp hơn nồng ñộ cần thiết ñể tạo ra cấu trúc tinh thể lỏng hay thậm chí là dạng mixen. Trước khi thêm nguồn silic vào, các phân tử chất ðHCT nằm ở trạng thái cân bằng ñộng giữa mixen ống, mixen cầu và các phân tử ðHCT riêng rẽ. Khi thêm nguồn silic, các dạng silicat ña ñiện tích thay thế các ion ñối của các chất ðHCT, tạo thành các cặp ion hữu cơ - vô cơ, chúng tự sắp xếp tạo thành các pha silic (hình 1.7). Bản chất của pha trung gian này ñược khống chế bởi các tương tác ña phối trí. Hình 1.6. Cơ chế phù hợp mật ñộ ñiện tích PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 13 Cơ chế phối hợp cấu trúc này dựa trên tương tác tĩnh ñiện giữa các tiền chất vô cơ (I) và các chất hoạt ñộng bề mặt (S). Có thể có các dạng sau: + -S I , - +S I , + - +S X I ( -X là ion ñối), - + -S M I (M+ là ion kim loại). 1.2. Giới thiệu vật liệu MQTB SBA-16 và tình hình nghiên cứu vật liệu SBA-16 trong và ngoài nước 1.2.1. Giới thiệu về vật liệu MQTB SBA-16 Vật liệu SBA-16 thuộc loại vật liệu rây phân tử MQTB so với các vật liệu cùng loại như MCM-48, SBA-15, SBA-3 thì vật liệu SBA-16 có cấu trúc rất trật tự, diện tích bề mặt rất cao từ 600 ñến 1000m2/g, kích thước mao quản từ 8 - 80 A0 ñôi khi lên ñến 300 A0. SBA-16 có mạng lưới không gian 3 chiều (3 - D) với 2 dạng cấu trúc chủ yếu lập phương tâm khối ñối xứng Im3m và lập phương tâm mặt ñối xứng Fm3m [17], vật liệu này có thành mao quản vô ñịnh hình [18]. Sự tổng hợp vật liệu này thường sử dụng chất hoạt ñộng bề mặt quan trọng F127 poly (ethyleneoxide) – poly (propyleneoxide) – poly (ethyleneoxide) triblock copolymer (EO106PO70EO106) và ngoài chất ðHCT còn có các nguồn vô cơ silic ñặc biệt là Alkoxide như TEOS ñể tạo nên màng và hệ thống mao quản. Từ trước ñến nay ñể tổng hợp vật liệu này người ta dùng nguồn silic là TEOS, gần ñây có vài nghiên cứu cho thấy SiO2 trong vỏ trấu chiếm hàm lượng rất cao nên do vậy chúng Hình 1.7. Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 14 ta có thể tổng hợp vật liệu này ñi từ các nguồn vô cơ là silicat tự nhiên này. Ngoài chất nền là các nguồn vô cơ còn có thêm dung môi là nước, chất trợ hoạt ñộng bề mặt butanol và quá trình này xảy ra trong môi trường axit. Qua các nghiên cứu cho thấy, hình thái của SBA-16 có thể ñiều khiển ñược qua việc kiểm soát nhiệt ñộ, thời gian tổng hợp và việc xử lý thủy nhiệt [17]. Do có kích thước mao quản trung bình và tường mao quản dày nên việc ứng dụng của nó trong các lĩnh vực công nghệ mới như công nghệ nano, hấp phụ, xúc tác, tách chất rộng hơn vật liệu có cùng tính năng tương tự là vật liệu vi mao quản zeolit kể cả vật liệu cùng loại với nó như MCM-41, MCM-48, HMS, MSU, SBA- 15…[19]. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu SBA-16 trong nước và ngoài nước
Ngoài nước − Nghiên cứu các ñiều kiện tối ưu ñể tổng hợp vật liệu SBA-16 từ các Alkoxide. − Nghiên cứu chức năng hóa bề mặt vật liệu bằng các nhóm chức hữu cơ. − Tinh thể hóa thành vô ñịnh hình của SBA-16 ñể tạo nên cấu trúc bền vững hơn.
Trong nước Công trình nghiên cứu về vật liệu SBA-16 ở Việt Nam là vào năm 2006. Tuy nhiên thì các nghiên cứu này còn rất rời rạc chưa có hệ thống. ða số các công trình nghiên cứu về vật liệu SBA-16 từ các nguồn Alkoxide. Theo chúng tôi thì chưa có công trình nào nghiên cứu về ứng dụng của vật liệu này, Hình 1.8. Ảnh SEM của vật liệu SBA-16 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 15 cụ thể là phân hủy phenol và metylen xanh bằng vật liệu SBA-16. ðây là cơ sở ñể rút ra biện pháp ñể xử lý một số chất hữu cơ ñộc hại trong môi trường nước. 1.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu SBA-16 từ nguồn silic vỏ trấu 1.3.1. Phương pháp nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu Nung vỏ trấu ở nhiệt ñộ thích hợp cho ñến khi các thành phần trong vỏ trấu cháy hoàn toàn ta thu ñược tro trấu là oxit silic và các thành phần vô cơ không cháy khác. Hình 1.9. Sơ ñồ minh họa quá trình chiết SiO2 từ vỏ trấu 500ml NaOH 50g Tro Trấu Dung dịch 1 Dung dịch 3 Dung dịch 4 SiO2 Hỗn hợp dạng gel SiO2.H2O Tiến hành ñun cách thủy và lọc Sấy và nung ở 5500C Rửa sạch bằng nước cất Dung dịch 2 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 16 1.3.2. Tổng hợp vật liệu mao quản trung bình SBA-16 từ vỏ trấu Quá trình tổng hợp ñược minh họa theo sơ ñồ sau: Lượng butanol vừa ñủ 3g F127 Làm già ở 400C trong 24h Chuyển vào lò sấy ở 1000C trong 24h Hình 1.10. Sơ ñồ minh họa quá trình tổng hợp SBA-16 từ vỏ trấu 4g SiO2 5,3g NaOH + 50ml H2O Dung dịch 1 Lượng nước và axit phù hợp Khuấy ñến trong bằng máy khuấy cơ khoảng 30-45 phút Dung dịch 2 Khuấy cơ và gia nhiệt ở 400C Dung dịch 3 Dung dịch 3 và khuấy thêm 20 phút Dung dịch 1 Thu ñược kết tủa, lọc kết tủa và nung ở 5500C, trong 6 giờ SBA-16 Khuấy từ Khuấy 60 phút PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 17 1.4. Các phương pháp hóa lý ñặc trưng vật liệu 1.4.1. Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM) SEM [2] sử dụng chùm tia ñiện tử ñể tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh ñó ñến màn huỳnh quang có thể ñạt ñộ phóng ñại theo yêu cầu. Chùm tia ñiện tử ñược tạo ra từ catôt (súng ñiện tử) qua 2 tụ quang ñiện từ sẽ ñược hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm ñiện tử ñập vào mẫu nghiên cứu sẽ phát ra các chùm ñiện tử phản xạ. Các ñiện tử phản xạ này ñược ñi qua ñiện thế gia tốc vào phần thu và biến ñổi thành tín hiệu ánh sáng, tín hiệu khuếch ñại, ñưa vào mạng lưới ñiều khiển tạo ñộ sáng trên màn ảnh. Mỗi ñiểm trên mẫu cho một ñiểm tương ứng trên màn. ðộ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng ñiện tử phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng mẫu nghiên cứu. Phương pháp SEM thường ñược sử dụng ñể nghiên cứu bề mặt, kích thước và hình dạng tinh thể của vật liệu. 1.4.2. Phương pháp ño ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) Hiện tượng hấp phụ trên bề mặt chất rắn: Sự tăng nồng ñộ chất khí (hoặc chất tan) trên bề mặt phân cách giữa các pha (khí - rắn, lỏng - rắn) ñược coi là hiện tượng hấp phụ [2], [8]. Lượng khí bị hấp phụ V ñược biểu diễn thông qua thể tích chất bị hấp phụ là ñại lượng ñặc trưng cho số phân tử bị hấp phụ, nó phụ thuộc vào áp suất cân bằng P, nhiệt ñộ, bản chất của khí và bản chất của vật liệu rắn. Thể tích bị hấp phụ V là hàm của áp suất cân bằng. Khi áp suất tăng ñến áp suất hơi bão hòa của chất khí bị hấp phụ tại một nhiệt ñộ ñã cho thì mối quan hệ giữa V - P ñược gọi là ñẳng nhiệt hấp phụ. Ứng với khi ñạt tới áp suất hơi bão hòa P0, người ta ño các giá trị thể tích khí Hình 1.11. Nguyên tắc chung của phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét SEM. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 18 hấp phụ ở các áp suất tương ñối (P/P0) giảm dần ta nhận ñược ñường “ñẳng nhiệt khử hấp phụ”. Trong thực tế ñối với vật liệu MQTB, ñường ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ không trùng nhau, ñược gọi là hiện tượng trễ. Từ ñường trễ ñó, người ta xác ñịnh các loại vật liệu. Theo UIPAC có các loại ñường ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ biểu diễn trên hình 1.12. ðường ñẳng nhiệt kiểu I hình 1.12 tương ứng với vật liệu vi mao quản hoặc không có mao quản. Kiểu II và III là của vật liệu mao quản có mao quản lớn (d > 50 nm). ðường ñẳng nhiệt kiểu IV và V quy cho vật liệu mao quản trung bình, kiểu bậc thang VI ít gặp. Áp dụng phương trình BET ñể ño bề mặt riêng: Phương trình BET: 0 m m 0 P 1 C - 1 P = + . V (P - P) V C V C P Trong ñó: P - áp suất cân bằng. P0 - áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở nhiệt ñộ thực nghiệm. V - thể tích của khí bị hấp phụ ở áp suất P. Vm - thể tích của lớp hấp phụ ñơn phân tử tính cho 1 gam chất hấp phụ trong ñiều kiện tiêu chuẩn. C - hằng số BET. Hình 1.12. Các dạng ñường ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại UIPAC PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 19 Xây dựng giản ñồ mà P/[V(P0 - P)] phụ thuộc vào P/P0 sẽ nhận ñược một ñoạn thẳng trong khoảng 0,05 - 0,3. ðộ nghiêng tg α và tung ñộ của ñoạn thẳng AO cho phép xác ñịnh thể tích của lớp phủ ñơn lớp (lớp ñơn phân tử) Vm và hằng số C. Trong trường hợp thường dùng nhất là hấp phụ vật lý (N2) ở 77K, tại nhiệt ñộ ñó tiết diện ngang σ của N2 là 0,162 nm2, Vm tính theo ñơn vị cm-1.g-1, diện tích bề mặt bằng m2.g-1 thì diện tích BET là: SBET = 4,35.Vm 1.5. Các phương pháp ñánh giá hoạt tính của vật liệu 1.5.1. Phương pháp phổ kích thích electron (Ultra Violet - visible: UV-VIS) [1], [8]. Sự hấp thụ trong vùng quang phổ tử ngoại và khả kiến (UV - VIS) phụ thuộc vào cấu trúc electron của phân tử. Sự hấp thụ năng lượng ñược lượng tử hóa và do các electron bị kích thích nhảy từ obitan có mức năng lượng thấp lên các obitan có mức năng lượng cao gây ra. Bước chuyển năng lượng này tương ứng với sự hấp thụ các tia có bước sóng λ khác nhau theo phương trình: hC ∆E = λ α Hình 1.13. ðồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(P0 - P)] theo P/P0 m C - 1 tgα = V C m 1OA = V C 0P/V(P - P) 0P/P PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 20 Trong ñó: h - hằng số Planck C - tốc ñộ ánh sáng Khi phân tử bị kích thích, các electron của các nguyên tử trong phân tử thực hiện các bước nhảy sau: Trong ñó: n - obitan không liên kết π - obitan π liên kết *π - obitan π phản liên kết σ - obitan σ liên kết *σ - obitan σ phản liên kết Các ñiện tử khi bị kích thích bởi các bức xạ ñiện từ sẽ nhảy lên các obitan có mức năng lượng cao hơn, các bước nhảy có thể là σ → *σ , π → *π , n→ *σ , tùy vào năng lượng kích thích mà các electron thực hiện các bước chuyển năng lượng khác nhau. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào ñịnh luật Lambert - Beer: Phương trình: A = log 0I = ε.l.C I Trong ñó: A - ñộ hấp thụ ánh sáng I0, I - cường ñộ bức xạ ñiện từ trước và sau khi qua chất phân tích. ε - hệ số hấp thụ l - ñộ dày cuvet C - nồng ñộ chất phân tích mol/l Hình 1.14. Bước chuyển các electron trong phân tử n *π π σ *σ PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 21 Phương pháp phổ UV - VIS ñược sử dụng rất thuận lợi và phổ biến ñể phân tích các chất. 1.5.2. Phương pháp chuẩn ñộ iot [4]
Nguyên tắc: Iot là chất oxi hóa yếu và ion iodua là chất khử yếu I2rắn + 2e ⇌ -2I E0 = 0,5345 V I2tan + 2e ⇌ -2I E0 = 0,6197 V I2 chỉ có thể oxi hóa ñược các chất khử trung bình trở lên, -I cũng chỉ khử ñược các chất oxi hóa trung bình trở lên. Phương pháp iot ñược dùng ñể ñịnh lượng cả chất oxi hóa và chất khử. ðể ñịnh lượng các chất khử, người ta chuẩn ñộ trực tiếp các chất khử bằng dung dịch chuẩn iot hoặc cho lượng dư iot tác dụng với chất khử, sau ñó chuẩn ñộ lượng iot còn lại bằng Na2S2O3. ðể ñịnh lượng các chất oxi hóa, người ta cho các chất oxi hóa tác dụng với KI dư trong môi trường axit và sau ñó chuẩn ñộ lượng iot giải phóng ra bằng dung dịch Na2S2O3. Vì vậy, trong phương pháp iot, các phép chuẩn ñộ gián tiếp có phản ứng chuẩn ñộ là phản ứng giữa iot và Na2S2O3 Và dung dịch chuẩn là dung dịch Na2S2O3 ðể ñịnh lượng H2O2, người ta cho H2O2 phản ứng với iodua trong môi trường axit theo phương trình: Dung dịch H2O2 không màu sau ñó chuyển sang màu nâu ñỏ của -3I Sau ñó chuẩn ñộ -3I bằng Na2S2O3.
Chất chỉ thị: Dung dịch hồ tinh bột tạo với iot hợp chất hấp phụ màu xanh. Khi chuẩn ñộ iot bằng Na2S2O3 thì tại ñiểm tương ñương, dung dịch sẽ mất màu do iot phản ứng hết với Na2S2O3. ðể hạn chế sai số, người ta cho chỉ thị hồ tinh bột khi dung dịch ñã chuyển từ màu nâu sang màu vàng rơm. Lúc ñó, dung dịch có màu xanh ñậm. Tại ñiểm dừng chuẩn ñộ, dung dịch sẽ mất màu xanh ñậm. 3 - 2- - 2- 3 2 4 6I + 2S O 3I + S O⇌ - + 2 2 2 2H O + 2I + 2H I + 2H O⇌ PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 22 Dung dịch hồ tinh bột dễ bị vi khuẩn phân hủy. Vì vậy, chỉ nên pha chế trước khi dùng và chỉ nên dùng trong ngày. Thường thêm các chất bảo vệ như HgI2, thimol, glixerin, fomamit.
Nguồn gốc sai số:  Sai số do sự oxi hóa bởi oxi không khí ðể hạn chế nên thực hiện phản ứng trong bóng tối vì ánh sáng sẽ làm cho phản ứng trên xảy ra nhanh hơn và tránh dùng axit quá dư. ðể hạn chế sự tiếp xúc với không khí có thể tạo bầu khí trơ trên bề mặt dung dịch bằng cách thêm Na2CO3 vào dung dịch ñã ñược axit hóa:  Sai số do sự thăng hoa của I2  ðể hạn chế cần dùng KI dư nhằm chuyển iot sang phức -3I  ðồng thời phải ñậy kín trước khi chuẩn ñộ. 1.6. Oxy hóa phenol trong môi trường nước 1.6.1. Sự ô nhiễm môi trường do phenol Phenol và các dẫn xuất của nó chiếm một vị trí quan trọng trong công nghiệp hóa học. Hàng năm thế giới sản xuất hơn 3,5 triệu tấn phenol. Phenol và các axit cresylic và cresol ñược sử dụng ñể sản xuất nhựa phenol - focmaldehyt và photphat - tricresyl. Phenol, alkyl - phenol và poly - phenol là các vật liệu quan trọng ñể sản xuất các hợp chất hữu cơ, chất màu, dược phẩm, chất hóa dẻo, chất chống oxi hóa,…. ði ñôi với quá trình sản xuất ñó, hàng năm trên thế giới ñã thải ra một lượng ñáng kể rác thải chứa phenol cũng như dẫn xuất của phenol. Phenol và dẫn xuất của nó có ñộc tính cao, khả năng phân hủy sinh học thấp (khó phân hủy sinh học), gây thiệt hại cho môi trường sống dưới nước. Phenol tác ñộng ñến nước và mùi vị của nước, ngay cả với một lượng cực kỳ nhỏ. Nói chung, việc xử lý nước chứa một hàm lượng phenol > 200 mg/l bằng kỹ thuật sinh học là - + 2 2 24I + O + 4H 2I + 2H O⇌ 2- + 3 2 2CO + 2H CO + H O↑⇌ - - 2 3I + I I⇌ PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 23 rất khó [2]. Người ta thấy rằng xử lí ô nhiễm bằng sinh học có thể thực hiện hiệu quả khi nồng ñộ cực ñại của phenol trong nước chỉ khoảng 50 - 70 mg/l. Hiện nay, hầu hết các nguồn nước ñều chứa lượng phenol cao hơn nhiều so với giới hạn nói trên (2000 - 3000 mg/l). Do ñó, người ta phải tiến hành xử lý hóa học phenol ñến mức ñủ thấp ñể xử lí sinh học hoặc hấp phụ… 1.6.2 Oxy hóa phenol trong môi trường nước Trước ñây, hầu hết các nghiên cứu oxy hóa phenol trong dung dịch nước ñều tập trung vào hướng oxi hóa phenol bằng không khí (Wet Air Oxidation - WAO) [2] ở nhiệt ñộ và áp suất cao, có hoặc không có chất xúc tác. Những nghiên cứu các tác nhân oxy hóa như ozon (O3) và hidropeoxit (H2O2) còn rất ít. Phương pháp WAO có ưu ñiểm dùng oxi không khí, song phương pháp này ñòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt ñộ và áp suất cao nên cần thiết bị ñặc biệt ñắt tiền làm cho chi phí vận hành cao, không kinh tế. ðể khắc phục nhược ñiểm của phương pháp WAO, người ta ñưa xúc tác vào hệ trên (Catalystic Wet Air Oxidation - CWAO) ñã làm giảm chi phí ñáng kể. Song phương pháp CWAO cần phải lựa chọn xúc tác thích hợp có hoạt tính cao, vật liệu làm chất mang phải chịu ñược môi trường (axit hoặc kiềm) dưới nhiệt ñộ và áp suất cao. Một trong những phương pháp có khả năng thay thế hai phương pháp trên là phương pháp sử dụng tác nhân oxi hóa H2O2. Theo Devlin và Harris [2] phản ứng oxi hóa phenol trong nước xảy ra theo sơ ñồ hình 1.15. Tùy vào ñiều kiện phản ứng (bản chất tác nhân oxi hóa: O2, O3, H2O2,..., nhiệt ñộ, áp suất, xúc tác) mà phản ứng xảy ra ñến mức ñộ nào và tạo ra sản phẩm cuối cùng là gì. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 24 O O Tar Phenol Benzoquinone Hydroquinone Catechol OH OH OH k6 k4 k5k3 k1 k2 OH OH H2O2 + Hình 1.15. Sơ ñồ oxi hóa phenol của Devlin và Harris PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 25 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp thực nghiệm 2.1.1. Hóa chất và dụng cụ 2.1.1.1. Hóa chất Bảng 2.1. Hóa chất Tên hóa chất Nguồn gốc Vật liệu MQTB SBA-16 Phenol Metylen xanh Dung dịch H2O2 Dung dịch Na2S2O3 0,02M Dung dịch KI 6% Dung dịch H2SO4 1M Chỉ thị hồ tinh bột Tổng hợp từ trấu PA – Trung Quốc PA – Trung Quốc PA – Trung Quốc PA – Trung Quốc PA – Trung Quốc PA – Trung Quốc PA – Trung Quốc 2.1.1.2. Dụng cụ Bảng 2.2. Dụng cụ Tên dụng cụ Tên dụng cụ Máy khuấy từ Bình cầu 2 cổ 250 ml Sinh hàn hồi lưu Nhiệt kế 1000C Bình ñịnh mức Bình hình nón Pipet 10 ml Buret 25 ml Phễu lọc Ống ñong Cốc thủy tinh Giấy lọc PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 26 2.2. Quá trình xúc tác phân hủy metylen xanh trong môi trường nước
Pha 2ml dung dịch metylen xanh trong 1 lít nước thu ñược dung dịch metylen xanh với nồng ñộ 2ml/l.
ðầu tiên, ta lấy 100ml dung dịch metylen xanh nồng 2ml/l cho vào bình cầu 2 cổ 250ml ñược nối với ống sinh hàn hồi lưu, ñặt vào dung dịch nhiệt kế 1000C ñược ñậy kín bằng một nút cao su, ta khuấy dung dịch này bằng máy khuấy từ không gia nhiệt. Sau ñó, ta cho 0,1g SBA-16 và 2ml dung dịch H2O2 (30%, d = 1,11 g/ml) vào bình cầu 2 cổ, tiếp tục khuấy trên máy khuấy từ với thời gian khuấy là 100 phút.
ðiều kiện tiến hành phản ứng  Phản ứng xảy ra ở nhiệt ñộ thường  Áp suất khí quyển.
Cách lấy mẫu, thời gian lấy và bảo quản mẫu Cứ sau một khoảng thời gian, mẫu ñược lấy ra một lần, mỗi lần lấy 8ml, lọc và tách chất xúc tác rồi cho vào từng bình nhỏ có nút cao su ñậy kín, bảo quản ở nhiệt ñộ phòng, hạn chế tiếp xúc với ánh sáng. ðể ñối chiếu, chúng tôi cũng tiến hành phản ứng tương tự như quá trình trên nhưng không cho xúc tác, dung dịch chỉ có H2O2 và metylen xanh. Thời gian và thể tích của các mẫu cũng giống như thí nghiệm có xúc tác SBA-16 tổng hợp từ trấu. 2.3. Quá trình hấp phụ và xúc tác phân hủy phenol trong môi trường nước
Cân 0,1g phenol rắn pha trong 100 ml nước cất ta ñược dung dịch phenol với nồng ñộ khoảng 1g/l.
ðầu tiên, ta lấy 100ml dung dịch phenol nồng 1g/l cho vào bình cầu 2 cổ 250ml ñược nối với ống sinh hàn hồi lưu, ñặt vào dung dịch nhiệt kế 1000C ñược ñậy kín bằng một nút cao su, ta khuấy dung dịch này bằng máy khuấy từ gia nhiệt ở 700C. Sau ñó, ta cho 0,1g SBA-16 và 2ml dung dịch H2O2 (30%, d = 1,11 g/ml) vào bình cầu 2 cổ, tiếp tục khuấy trên máy khuấy từ với thời gian khuấy là 2,5 giờ.
ðiều kiện tiến hành phản ứng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 27  Phản ứng xảy ra ở nhiệt ñộ 700C  Áp suất khí quyển.
Cách lấy mẫu, thời gian lấy và bảo quản mẫu Cứ sau một khoảng thời gian, mẫu ñược lấy ra một lần, mỗi lần lấy 8ml, lọc và tách chất xúc tác rồi cho vào từng bình nhỏ có nút cao su ñậy kín, bảo quản ở nhiệt ñộ phòng, hạn chế tiếp xúc với ánh sáng. ðể ñối chiếu, chúng tôi cũng tiến hành phản ứng tương tự như quá trình trên nhưng không cho xúc tác, dung dịch chỉ có H2O2 và phenol. Thời gian và thể tích của các mẫu cũng giống như thí nghiệm có xúc tác SBA-16 tổng hợp từ trấu. Hình 2.1 trình bày phản ứng oxi hóa phenol và metylen xanh. Hình 2.1. Bình phản ứng oxi hóa phenol và metylen xanh PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 28 2.4. ðánh giá hoạt tính hấp phụ, xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu 2.4.1. Xác ñịnh ñộ hấp thụ của dung dịch Trong khóa luận này, chúng tôi tiến hành ño ñộ hấp thụ của các mẫu của quá trình phân hủy metylen xanh trên xúc tác SBA-16 bằng Phổ UV - VIS trên máy Evolution 300, bước sóng từ 200 – 800 nm. Các mẫu của phenol trên xúc tác SBA-16 ñược xác ñịnh bằng Phổ UV - VIS trên máy Evolution 300, bước sóng từ 200 – 400 nm. 2.4.2. Chuẩn ñộ iot ðể khẳng ñịnh hoạt tính hấp phụ và xúc tác ñối với phenol chúng tôi tiến hành chuẩn ñộ lượng H2O2 còn lại sau quá trình phản ứng bằng cách oxi hóa -I thành I2, sau ñó chuẩn ñộ lượng I2 tạo thành bằng Na2S2O3 với chỉ thị hồ tinh bột. Từ thể tích Na2S2O3 tiêu tốn sẽ xác ñịnh ñược lượng H2O2 ñã phản ứng, từ ñó xác ñịnh ñược lượng phenol ñã bị phân hủy. Quá trình ñược tiến hành như sau: Sau khi ñã lấy mẫu theo thời gian, ta lấy 2,5ml mẫu cho vào bình hình nón, sau ñó thêm 1ml dung dịch H2SO4 1M và 10ml dung dịch KI 6%, ñể trong bóng tối khoảng 5 phút, dung dịch có màu nâu ñỏ. Sau ñó, chuẩn ñộ bằng dung dịch Na2S2O3 0,02M tới khi xuất hiện màu vàng rơm. Thêm 3,4 giọt hồ tinh bột vào, dung dịch có màu xanh ñậm. Chuẩn ñộ tiếp bằng dung dịch Na2S2O3 0,02M ñến khi mất màu xanh ñậm. Ghi thể tích dung dịch Na2S2O3 0,02M. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 29 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Sự phân hủy của metylen xanh trên hệ xúc tác SBA-16 và H2O2 Trong khóa luận này metylen xanh ñược sử dụng ñể ñánh giá hoạt tính xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu. Phẩm màu metylen xanh là một chất ñược sử dụng rất thông dụng trong kỹ thuật nhuộm, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học, khó phân hủy khi thải ra môi trường nước, làm mất vẻ ñẹp mĩ quan của môi trường, ảnh hưởng ñến quá trình sản xuất và sinh hoạt của con người. Metylen xanh có một ñỉnh hấp thụ (píc) ở bước sóng λ = 664 nm ñặc trưng cho nhóm mang màu liên hợp, một ñỉnh hấp thụ ở bước sóng 291 nm ñặc trưng cho nhân thơm, còn píc ñặc trưng cho các nhóm thế không rõ ràng do sự tương tác electron của các nhóm thế. Hình 3.1. Công thức cấu tạo của metylen xanh. ð ộ hấ p th ụ (A ) Bước sóng ( λ ) Hình 3.2. Phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu không xúc tác và mẫu 60 phút của metylen xanh 2 3 1. Mẫu gốc 2. Mẫu không xúc tác 3. Mẫu 60 phút 1 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 30 Hình 3.2 trình bày phổ UV - VIS của mẫu metylen xanh ban ñầu, nồng ñộ 2ml/l (ñường 1), mẫu có không có SBA-16, chỉ có H2O2 (ñường 2) và mẫu có xúc tác SBA-16 và H2O2 (ñường 3) ở thời ñiểm 60 phút. Các ñỉnh hấp thụ của ñường 1 và ñường 2 khác nhau không nhiều, chứng tỏ khi không có xúc tác SBA-16, metylen xanh bị phân hủy không ñáng kể. Trong khi ñó, cũng với thời gian 60 phút, hệ xúc tác SBA-16 và H2O2 làm cho metylen xanh bị phân hủy rất nhiều, ñặc biệt là màu xanh của metylen ñã biến mất hoàn toàn (ñường 3). Kết quả trên cho thấy, khả năng hấp phụ và xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu là tương ñối tốt, có thể phân hủy ñược metylen xanh ở nhiệt ñộ thường. Hình 3.3 trình bày phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu 10 và 20 phút của metylen xanh trên hệ xúc tác SBA-16 và H2O2. ðường 1 là mẫu gốc, nồng ñộ 2ml/l, ñường 2 và 3 lần lượt là mẫu phản ứng sau 10 và 20 phút. Tốc ñộ mất màu xảy ra rất nhanh, chỉ sau 10 phút phản ứng, hệ mang màu liên hợp ñã bị phá hủy hoàn toàn giống như ñường nền. Trong khi ñó, ñỉnh hấp thụ ở bước sóng 291 nm ñặc trưng cho nhân thơm lại tăng lên so với mẫu gốc (ñường 2) sau ñó mới giảm xuống (ñường 3). Như vậy, sau 10 phút phản ứng, nồng ñộ của nhân thơm tăng lên do nồng ñộ của chất tan ð ộ hấ p th ụ (A ) 1. Mẫu gốc 2. Mẫu 10 phút 3. Mẫu 20 phút 2 3 Hình 3.3. Phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu 10 và 20 phút của metylen xanh Bước sóng ( λ ) 1 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 31 tỉ lệ thuận với cường ñộ hấp thụ [5]. ðiều này ñược giải thích là trong phân tử của metylen xanh có 2 nhóm nhân thơm liên kết với nhau qua nguyên tử nitơ và lưu huỳnh. Khi liên kết này bị phá vỡ thì nồng ñộ của nhân thơm tăng lên. Tuy nhiên, nhóm nhân thơm này cũng bị phân hủy do tác dụng của hệ xúc tác SBA-16 và H2O2 nên kết quả là ñỉnh hấp thụ ở 291 nm tăng lên không ñáng kể (ñường 2) so với mẫu gốc (ñường 1), sau ñó nó tiếp tục bị phân hủy và cực ñại hấp thụ giảm xuống (ñường 3). Từ kết quả trên, ta có thể kết luận rằng, khi phân hủy metylen xanh thì hệ mang màu bị phân hủy trước, sau ñó mới ñến sự phân hủy nhân thơm hay tốc ñộ mất màu xảy ra nhanh hơn. Hình 3.4 trình bày phổ UV-VIS của mẫu gốc, mẫu 30 và 40 phút của metylen xanh trên hệ xúc tác SBA-16 và H2O2. ðường 1 là mẫu gốc, nồng ñộ 2ml/l, ñường 2 và 3 lần lượt là mẫu phản ứng sau 30 và 40 phút. Ở bước sóng 291 nm, ñộ hấp thụ của mẫu gốc là A = 0,31, trong khi ñó ñộ hấp thụ của mẫu 30 phút là 0,17 và ñộ hấp thụ của mẫu 40 phút là 0,1. ðộ hấp thụ của dung dịch chứa metylen xanh giảm xuống, chứng tỏ nồng ñộ của nó giảm theo thời gian. Tốc ñộ phân hủy của metylen xanh trên xúc tác SBA-16 và H2O2 là tương ñối nhanh theo thời gian khảo sát. ð ộ hấ p th ụ (A ) Bước sóng ( λ ) Hình 3.4. Phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu 30 và 40 phút của metylen xanh 1. Mẫu gốc 2. Mẫu 30 phút 3. Mẫu 40 phút 2 3 1 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 32 Tiếp tục khảo sát hoạt tính hấp phụ và xúc tác của hệ SBA-16 và H2O2, chúng tôi tiến hành ño phổ UV - VIS của các mẫu ở thời gian là 80 và 100 phút. Hình 3.5 trình bày phổ UV-VIS của mẫu gốc, mẫu 80 và 100 phút của metylen xanh trên hệ xúc tác SBA-16 và H2O2. ðường 1 là mẫu gốc, nồng ñộ 2ml/l, ñường 2 và 3 lần lượt là mẫu phản ứng sau 80 và 100 phút. Ở bước sóng 291 nm, các mẫu có ñộ hấp thụ rất bé (ñường 2 và ñường 3). ðiều này cho thấy, phản ứng xảy ra tương ñối nhanh, píc ñặc trưng cho nhân thơm của metylen xanh giảm xuống rất thấp, gần giống như ñường nền. Tuy nhiên, theo hình 3.5 ở bước sóng 293 nm vẫn còn một ñỉnh rất nhỏ cho thấy nhân thơm trong metylen xanh chưa bị phân hủy hoàn toàn. Nguyên nhân có thể là do thời gian phản ứng chưa ñủ lâu hoặc xúc tác ñã giảm hoạt tính. Kết quả thực nghiệm cho thấy, vật liệu MQTB SBA-16 tổng hợp từ trấu có hoạt tính hấp phụ và xúc tác rất mạnh ngay cả ở nhiệt ñộ phòng, cả những phân tử có kích thước lớn và cồng kềnh như metylen xanh. Theo các tài liệu thì vật liệu MQTB như MCM-41, SBA-15, SBA-16,...[2] không có chức năng hóa hoặc không ñưa kim loại vào thì hoạt tính xúc tác rất thấp. Còn trong trường hợp của chúng tôi, do SBA-16 tổng hợp từ trấu có diện tích bề ð ộ hấ p th ụ (A ) 1. Mẫu gốc 2. Mẫu 80 phút 3. Mẫu 100 phút 1 2 3 Bước sóng (λ ) Hình 3.5. Phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu 80 và 100 phút của metylen xanh PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 33 mặt riêng rất lớn [8] nên khả năng hấp phụ tốt. Mặt khác, trong trấu và SiO2 ban ñầu có các oxit kim loại. Do ñó, khi tổng hợp SBA-16 ñã có sẵn các oxit của kim loại. 3.2. Sự phân hủy phenol trên hệ xúc tác SBA-16 và H2O2 Như ñã ñề cập ở phần tổng quan, các phản ứng xử lý nước thải oxi hóa phenol thường thực hiện ở nhiệt ñộ, áp suất cao dẫn ñến giá thành cao. Với mục ñích tìm kiếm hệ xúc tác và các quy trình xử lý phenol ở nhiệt ñộ thấp, áp suất thường nên chúng tôi tiến hành thử hoạt tính của hệ xúc tác trong các ñiều kiện như mục 2.3. Hình 3.6 là công thức cấu tạo của phenol. OH Như ñã biết, phenol là chất rắn, không màu, tan ít trong nước, là một hợp chất rất bền. Trong khóa luận này, phenol ñược sử dụng ñể ñánh giá hoạt tính xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu. Phenol là một chất ñược sử dụng rất thông dụng trong kỹ thuật nhuộm, ñiều chế dược phẩm, chất kích thích sinh trưởng thực vật, chất diệt cỏ rất khó phân hủy và gây ñộc hại khi thải ra môi trường. Hình 3.6. Công thức cấu tạo của phenol ð ộ hấ p th ụ (A ) Bước sóng (λ ) Hình 3.7. Phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu 10, 30, 60, 90, 120, 150 phút của phenol 4 5 2 1. Mẫu gốc 5. Mẫu 90 phút 2. Mẫu 10 phút 6. Mẫu 120 phút 3. Mẫu 30 phút 7. Mẫu 150 phút 4. Mẫu 60 phút 3 7 1 6 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 34 Hình 3.7 trình bày phổ UV - VIS của mẫu gốc, mẫu 10, 30, 60, 90, 120, 150 phút của phenol. ðường 1 là mẫu gốc, ñường 2, 3, 4, 5, 6, 7 lần lượt là mẫu phản ứng sau 10, 30, 60, 90, 120, 150 phút. ðường 1 là mẫu gốc nồng ñộ 1g/l, mẫu này có ñộ hấp thụ A = 0,2. Sau 10 phút phản ứng, ñộ hấp thụ của dung dịch tăng lên ñáng kể A = 0,58 (ñường 2). Ở thời ñiểm 30 phút, ñộ hấp thụ của dung dịch tăng lên rất nhiều A = 1,25 (ñường 3). Theo quy luật thì thời gian phản ứng càng lâu, nồng ñộ phenol giảm, ñộ hấp thụ của dung dịch giảm theo. Trong nghiên cứu này thì ñộ hấp thụ của dung dịch tăng lên rất nhiều. ðiều này ñược giải thích như sau: Quá trình phân hủy phenol bằng hệ xúc tác SBA-16 và H2O2 tạo ra các chất trung gian như benzoquinone, hidroquinone, catechol và nhựa (tar). Các chất này hấp thụ ánh sáng ở bước sóng lân cận với phenol. ðặc biệt là nhựa hấp thụ áng sáng rất mạnh làm cho ñộ hấp thụ của mẫu tăng lên ñáng kể. Cơ chế phản ứng xảy ra như sau: HPSK(1) HP + S HP . S⇀↽ PHSK(2) PH + S PH . S ⇀↽ 1k(3) HP . S + PH . S BQ . S + S→ 2k(4) HP . S + PH . S HQ . S + S→ 3k(5) HP . S + PH . S CT . S + S→ 4k(6) HP . S + BQ . S TA . S + S→ 5k(7) HP . S + CT . S TA . S + S→ 6k(8) HP . S + HQ . S BQ . S + S→ BQSK(9) BQ . S BQ + S⇀↽ HQSK(10) HQ . S HQ + S⇀↽ CTSK(11) CT . S CT + S⇀↽ TASK(12) TA . S TA + S⇀↽ PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 35 Trong ñó: - HP là hidropeoxit - S là chất xúc tác - PH là phenol - BQ là benzoquinone - HQ là hidroquinone - CT là catechol Tăng thời gian phản ứng lên 60 phút, ñộ hấp thụ của dung dịch giảm dần (tuy nhiên vẫn cao hơn mẫu 10 phút). ðiều ñó chứng tỏ các chất trung gian như benzoquinone, hidroquinone, catechol và nhựa (tar) cũng bị phân hủy dần A = 0,88 (ñường 4). ðến thời ñiểm 90 phút thì ñộ hấp thụ giảm ñi rất nhiều A = 0,29 (ñường 5). Tiếp tục phản ứng thì ñộ hấp thụ giảm ñáng kể, ñến thời ñiểm 150 phút thì ñộ hấp thụ của dung dịch gần như bằng không, chứng tỏ rằng phenol ñã bị phân hủy gần như hoàn toàn (ñường 7). Cũng từ ñường 7 chúng ta thấy vẫn còn một chỗ lồi lên, có thể là phenol và các chất trung gian phân hủy chưa hết. Cũng giống như thí nghiệm trước, chúng tôi dự ñoán là do thời gian phản ứng chưa ñủ lâu hoặc xúc tác bị giảm hoạt tính. Tuy nhiên, với hàm lượng phenol rất thấp còn lại sẽ không ảnh hưởng nhiều ñến môi trường hoặc hàm lượng nhỏ này sẽ bị phân hủy bởi các vi sinh vật có trong môi trường nước. Từ các kết quả phân tích trên, chúng tôi nhận thấy rằng, có thể dùng vật liệu MQTB SBA-16 ñể xử lí phenol và một số chất khác có trong môi trường nước. ðể khẳng ñịnh hoạt tính hấp phụ và xúc tác ñối với phenol chúng tôi tiến hành chuẩn ñộ lượng H2O2 còn lại sau quá trình phản ứng bằng cách oxi hóa -I thành I2, sau ñó chuẩn ñộ lượng I2 tạo thành bằng Na2S2O3 với chỉ thị hồ tinh bột. Từ thể tích Na2S2O3 tiêu tốn sẽ xác ñịnh ñược lượng H2O2 ñã phản ứng, từ ñó xác ñịnh ñược lượng phenol ñã bị phân hủy. Chúng ta sẽ tiến hành xác ñịnh ñược nồng ñộ ban ñầu của H2O2 Khối lượng dung dịch H2O2 : mdd = d.V = 1,1.2 = 2,2 g/ml Khối lượng H2O2: 2,2.30 m = = 0,66 g 100 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 36 Số mol H2O2: 0,66 n = = 0,0914 mol 34
Nồng ñộ ban ñầu của H2O2: M 0,0194C = = 0,19010 mol/l 0,102
Phương trình phản ứng chuẩn ñộ:
Ta tính ñược nồng ñộ còn lại của H2O2 qua công thức: Bảng 3.3. Nồng ñộ H2O2 phản ứng theo thời gian.
Nồng ñộ ban ñầu của phenol: phenol 1C = = 0,10430 mol/l 94.0,102
Ta tính ñược nồng ñộ của phenol ñã phản ứng dựa vào nồng ñộ H2O2 Thời gian (phút) 2 2 3Na S O V (ml) 2 2H O C ban ñầu (mol/l) 2 2H O C còn lại (mol/l) 2 2H O C phản ứng (mol/l) 10 22,50 0,11250 0,07550 30 18,90 0,09450 0,09550 60 18,30 0,09150 0,09850 90 17,60 0,08800 0,10200 120 17,50 0,08750 0,10250 150 17,25 0,19010 0,08625 0,10375 - + 2 2 2 2H O + 2I + 2H I + 2H O⇌ - - 2 3I + I I⇌ 3 - 2- - 2- 3 2 4 6I + 2S O 3I + S O⇌ 2 2 3 2 2 3 2 2 2 2 Na S O Na S O H O H O C .V C = 2.V 2 2phenol H O C = C PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 37 Bảng 3.4. Nồng ñộ phenol còn lại theo thời gian Ta nhận thấy rằng, nồng ñộ phenol sau 2,5 giờ khảo sát còn lại là 0,00055 mol/l hay 51,7 mg/l, nồng ñộ này nằm trong giới hạn cho phép là 50 – 70 mg/l. Như vậy, người ta có thể xử lí ô nhiễm bằng phương pháp sinh học với nồng ñộ phenol rất thấp như trên. Hay nói cách khác, việc hấp phụ phenol bằng SBA-16 trong môi trường nước mang lại hiệu quả cao, có thể giảm ñáng kể lượng phenol gây ñộc trong các nguồn nước. Nhìn vào bảng 3.4 ta thấy nồng ñộ phenol giảm dần theo thời gian khảo sát. ðể thấy rõ hơn, chúng ta hãy quan sát hình 3.8 sau ñây: Thời gian (phút) phenolC ban ñầu (mol/l) 2 2H O C phản ứng (mol/l) phenolC phản ứng (mol/l) phenolC còn lại (mol/l) 10 0,07550 0,07550 0,02880 30 0,09550 0,09550 0,00880 60 0,09850 0,09850 0,00580 90 0,10200 0,10200 0,00230 120 0,10250 0,10250 0,00180 150 0,10430 0,10375 0,10375 0,00055 Hình 3.8. ðồ thị biểu diễn sự giảm nồng ñộ phenol theo thời gian phenolC t PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 38 Hình 3.8 trình bày ñồ thị oxi hóa phenol bằng H2O2 ở thời ñiểm ban ñầu và sau thời gian hấp phụ là 150 phút. Khác với kết quả ño bằng phổ UV - VIS, ñộ hấp thụ tăng sau ñó giảm dần, nồng ñộ của phenol tính theo công thức chuẩn ñộ iot giảm dần một cách ñều ñặn. ðến thời ñiểm 150 phút, nồng ñộ phenol còn lại là 0,00055 mol/l, nghĩa là bị phân hủy mất 99,47%. ðiều này chứng tỏ rằng SBA-16 có khả năng hấp phụ phenol trong môi trường nước. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 39 C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận
ðã tiến hành ñược quá trình hấp phụ và xúc tác phân hủy metylen xanh và phenol trong môi trường nước.
ðánh giá hoạt tính hấp phụ và xúc tác của SBA-16 tổng hợp từ trấu bằng phổ UV - VIS và phương pháp chuẩn ñộ iot.
Khả năng hấp phụ và xúc tác phân hủy metylen xanh và phenol trong môi trường nước tương ñối nhanh và triệt ñể, lượng phenol và metylen xanh còn lại sau quá trình phản ứng là không ñáng kể, có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật có trong môi trường nước. Có thể ứng dụng vật liệu SBA-16 tổng hợp từ trấu ñể xử lí các chất hữu cơ ñộc hại khác trong môi trường nước. Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian nên phản ứng xảy ra chưa hoàn toàn. 2. Kiến nghị
Chức năng hóa bề mặt hoặc ñưa các kim loại chuyển tiếp vào tường hoặc bề mặt mao quản của SBA-16 ñể tăng thêm ñộ bền và hoạt tính xúc tác nhằm tiếp tục nghiên cứu xúc tác cho các quá trình như phân hủy các chất hữu cơ khác là metyl ñỏ, phenol ñỏ, chloramphenicol,…trong môi trường nước, xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, xúc tác trong hóa dầu hoặc hấp phụ các kim loại nặng trong môi trường nước.
Xây dựng các phương trình ñộng học cho các quá trình phân hủy phenol, metylen xanh và các chất tương tự. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Nguyễn Hữu ðĩnh, Trần Thị ðà (1999), Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử, Nhà xuất bản Giáo Dục, Hà Nội. 2. ðinh Quang Khiếu (2008), Luận án tiến sĩ Hóa học, Huế. 3. ðặng Tuyết Phương, Hoàng Yến, Hoàng Văn ðức, Nguyễn Hữu Phú, “Tổng hợp vật liệu mao quản trung bình Si-SBA-15: Ảnh hưởng của thời gian làm già ñến kích thước mao quản”, Các báo cáo khoa học Hội Nghị xúc tác và hấp phụ toàn quốc lần thứ III, Huế, 9 – 2005, trang 580 – 585. 4. Nguyễn Thị Thu Nga (2007), Giáo Trình Hóa Học Phân Tích Hướng Dẫn Thực Hành, NXB ðại Học Sư Phạm, trang 147 – 148. 5. Phạm Ngọc Nguyên (2004), Giáo Trình Kỹ Thuật Phân Tích Vật Lý, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội, trang 154 – 206. 6. Hoàng Yến, ðặng Tuyết Phương, Nguyễn Tuấn Anh, Vũ Anh Tuấn, Nguyễn Hữu Phú “Vật liệu mao quản trung bình Fe-SBA-15: Tổng hợp và tính chất xúc tác”. Tài liệu tiếng Anh 7. Do Trong On (2003), “Recent advances in catalytic applications of mesoporous molecular sieves”, Recent Res. Devel. Catalyst, 2, 171 – 204 ISBN: 81 – 271 – 0016 – 1. 8. Ho Sy Thang, Nguyen Thi Ai Nhung, Dinh Quang Khieu, Tran Thai Hoa, Nguyen Huu Phu (2008), Direct hydrothermal synthesis of mesoporous, Sn-SBA-16 materials under weak acidic conditions, International scientific conference on “Chemistry for development and intergration”, 12 – 14 September, PP, 806 – 816. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 41 9. Kim. M. J., Han Y. J., Chmelka B. F. and Stucky G. D. (2000), “One-step synthesis of ordered mesocoposites with non-ionic amphiphilic block copolymers: implications of isoelectric point, hydrolysis rate and fluoride”, Chem. Commun., 2437 – 2438. 10. Firouzi, A.; Atef, F.; Oertli, A. G.; Stucky, G. D. and Chmelka, B. F. (1997), “Alkaline Lyotropic Silicate – Surfactant Liquid Crystals”, J. Am. Chem. Soc., 119, 3596 – 3610. 11. Chedeville O., Bayraktar A. T., Port C. (2005), “Modeling of Fenton Reaction for the oxidation of phenol in water”, Journal of Automated Methods & Management in Chemistry, 2, 31 – 36. 12. Jung J.S., Choi K. H., Jung Y. K., Lee S. H., Golub V. O., Malkinski L., Connor C.J. (2004), “Preparation and characterization of γ - Fe2O3 nanoparticles in SBA-15 host materials ”, J. of Magnetism and Magnetic Materials 272 – 276. 13. Bagshaw, S. A., Prouzet E., and Pinnavaia T. J. (1995), “Templating of Mesoporous Molecular Sieves by Nonionic Polyethylene Oxide Surfactants, Science”, 269, 1242 – 1244. 14. Hu. X, Lam F. L. Y., Cheng L. M., Chan K. F., Zhao X. S., Lu G. Q. (2001), “Copper/MCM-41 as catalyst for photochemically enhanced oxidation of phenol by hydrogen peroxide”, Catalysis Today, 68, 129 – 133. 15. Idris A. Saed K. (2002), “Degradation of phenol in wastewater using anolyte produced from electrochemical generation of brine solution”, Global Nest the Int. J. Vol 4. No 2 – 3pp 139 – 144. 16. Choi J. S., Yoon S. S., Jang S. H Ahn W. S. (2006), “Phenol hydroxylation using Fe-MCM-41 catalysts”, Catalysis today, 111, 280 – 287. 17. Tea-wan Kim., Ryong., Michal Kruk., Kamil P. Gierezal., Mietek, Jaroniee., Satoshi Kamiya., Osamu Terasaki. (2004), “Tailoring the Pore Structure of SBA-16 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 42 Silica Molecular Sieve through the Use of Copolymer Blends and Control of Synthesis Temperature and Time”, J. Phys. Chem. B, 108, 11480 – 11489. 18. Freddy Kleitz., Dianan., Gopinanthan M. AnilKumar., In-Soo Park., Leonid A. Solovyov., Alexandr N., shmakvo, and Ryong Ryoo. (2003), “large Cage Face- Centered-Cubic Fm3m Mosoporous Silica: Synthesis and Structure”, J. Phys. Chem. B, 107, 14296 – 14300. 19. Oliver C. Gobin., Ying wan., Dongyuan Zhao., Freddy Kleitz and Serge Kaliaguine. (2007), “Mesostructured Silica SBA-16 with Tailored Intrawall Porosity Part 1: Synthesis and Characterization”, J. Phys. Chem. C, 111, 3053 – 3058. 20. Monica Mesa., Ligia Sierra., Joel Patarin., Jean-louis Guth. (2005), “Morphology and porosity characteristics control of SBA-16 mesoporous silica, Effect of the triblock Pluronic F127 degredation during the sythesis”, Solid State Science, 7, 990 – 997. 21. Farrauto R. J., Bartholomew C. H. (1997), Fundamentals of industrial catalytic processes, Blackie Academic & Professional, pp. 151 – 153. 22. Turi E. A. (1997), “Thermal charaterization of polymeric materials”, Academic press, vol. 1, pp. 2 – 14. 23. Geraximov Ia. I. (1970), Physico-chemical course, T. I. Publisher “Chemistry”, Moscow, pp 124 – 127. 24. Bi-Chang Chen., Man-Chien Chao., Hong-Ping Lin., Chung-Yuan Mou. (2005), “Faceted single Crystal of mesoporous silica SBA-16 from a ternary surfactant system: surface roughning model”, Microporous and Mesoporous Materials, 81, 241 – 249. 25. Feddy Kleit., Tae-Wan Kim and Ryong Ryoo. (2006), “Phase Domain of the cubic Im3m Mesoporous Silica in the EO106PO70EO106-Butanol-H2O System”, Langmuir, 22, 440 – 445. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial ::