- Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (Mg, Al, Fe) làm xúc tác xử lý nước thải chứa các hợp chất. - Nghiên cứu các phương pháp xử lý nước thải chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy như: Phương pháp keo tụ. - Phương pháp oxi hóa – khử. - Trình bày các kết quả đạt được: Đã tổng hợp được xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe theo các tỉ lệ khác nhau và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc xúc tác bằng các phương pháp vật lý: nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng ngoại IR, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ- giải hấp phụ (BET). - Đã tiến hành nghiên cứu quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy trên 2 mẫu xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe tổng hợp có tỷ lệ thành phần tương ứng Mg:Al: Fe là 5: 3: 2. - Đã khảo sát quá trình oxi hóa xanh metylen với sự có mặt của xúc tác hidrotalxit nhận thấy các mẫu xúc tác đóng vai trò hấp phụ, xúc tác chuyển hóa xanh metylen với hiệu suất xử lý khá cao.. - Chất hữu cơ. - Xử lý nước thải. - Vật liệu hidrotalxit. - Do vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hidrotalxit (Mg, Al, Fe) làm xúc tác xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy”.. - Hình 1.1: Khoáng sét hiđrotalxit. - Hiện nay, hiđrotalxit có thể điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau nhằm tiếp tục phát triển phương pháp tổng hợp hiđrotalxit khác nhau nhằm mục đích sử dụng rộng rãi họ vật liệu này trong lĩnh vực xử lý môi trường [8].. - Hiđrotalxit (HT) là loại liệu khoáng liệu ionic bazơ được biết đến như là hợp chất song lớp hidroxit (LDH) với công thức chung Mg 6 Al 2 (OH) 16 CO 3 .xH 2 O. - Hình 1.2: Cấu tạo lớp hydroxit Lớp xen giữa. - Hình 1.3: Cấu tạo lớp xen giữa. - Hình 1.4: Hình dạng cấu trúc lớp của hiđrotalxit. - Chất rắn thu được được sấy khô ở 80 o C, nghiền mịn thu được xúc tác hiđrotalxit Mg-Al-Fe-O với tỉ lệ tương ứng là 5: 3: 2 ký hiệu TT03.. - Bằng phương pháp đồng kết tủa, chúng tôi đã điều chế được các mẫu xúc tác hiđrotalxit TT Ký hiệu Công thức tổng hợp theo lý thuyết. - 1 TT04 Mg 0,7 Al 0,3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O 2 TT05 Mg 0,6 Al 0,3 Fe 0,1 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - 3 TT03 Mg 0,5 Al 0,3 Fe 0,2 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - Các mẫu vật liệu điều chế được nghiên cứu đặc trưng pha, hình dạng cấu trúc trước khi thực hiện phản ứng oxi hóa xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước.. - Các mẫu xúc tác rắn đều cho tín hiệu nhiễu xạ có cường độ mạnh, chân píc rộng ở góc 2-theta tương ứng với Mg-Al hidrotalxit. - Mg 0,5 Al 0,3 Fe 0,2 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O và TT 03: Mg 0,6 Al 0,3 Fe 0,1 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O), kết quả nhiễu xạ tia X về cơ bản không thay đổi so với mẫu Mg 0,7 Al 0,3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - Tuy nhiên hai mẫu này có tín hiệu đường nền lớn hơn, đậm nét hơn so với mẫu Mg 0,7 Al 0,3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O (hình 3.1). - Giản đồ nhiễu xạ của mẫu TT04: Mg 0,7 Al 0,3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - Giản đồ nhiễu xạ của mẫu TT05: Mg 0,6 Al 0,3 Fe 0,1 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - Giản đồ nhiễu xạ của mẫu TT03: Mg 0,5 Al 0,3 Fe 0,2 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - Quan sát hình 3.4 ta nhận thấy phổ hồng ngoại mẫu xúc tác TT04 xuất hiện đỉnh phổ 3448 cm -1 chân rộng đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH trong phân tử nước hấp. - Kết quả ghi phổ IR của mẫu TT04: Mg 0,7 Al 0,3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O 3.3. - Để xem xét hình thể học hạt xúc tác và cấu trúc lớp của hidrotalxit, chúng tôi xem xét bề mặt xúc tác bằng kỹ thuật SEM và TEM. - Kết quả quan sát SEM của các mẫu xúc tác đại diện được đưa ra ở hình 3.5.. - C Hình 1.9: Ả nh SEM củ a. - Mg 0.6 Fe 0.1 Al 0.3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O (A) và. - Mg 0.5 Fe 0.2 Al 0.3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O (B) và hình ả nh TEM củ a mẫ u Mg 0.5 Fe 0.2 Al 0.3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O. - Quan sát hình ảnh hạt xúc tác của các vật liệu hidrotalxit cho thấy các hạt hidrotalxit Mg 0.6 Al 0.3 Fe 0.1 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O (hình 3.5 A, B) có kích thước khá đồng đều, hình thoi hoặc elip. - Khi tăng lượng Fe thay thế (mẫu Mg 0,5 Al 0,3 Fe 0,2 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O), kích thước hạt dường như có xu hướng tăng lên do sự vón kết của các hạt sơ cấp tạo thành. - Ảnh TEM của mẫu Mg 0.5 Fe 0.2 Al 0.3 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O trình bày ở hình 3.5C khẳng định hình dạng elip của hạt xúc tác, kích thước hạt nằm trong khoảng từ 30-60 nm. - Hình 1.10: Đường hấp phụ giải nitơ của các mẫu hidrotalxit. - Đánh giá khả năng oxi hóa xanh metylen của xúc tác hidrotalxit. - 200 mg xúc tác TT05 + 20 mL dung dịch xanh metylen 3000 ppm. - Nồng độ xanh metylen (ppm). - Hình 1.11. - Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian (TT05) Mg 0,6 Al 0,3 Fe 0,1 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O,. - [xanh metylen. - Kết quả khảo sát 3000 ppm xanh metylen cho thấy khi hỗn hợp phản ứng chỉ có xanh metylen và H 2 O 2 thì phản ứng oxi hóa xanh metylen xảy ra chậm, nồng độ xanh metylen giảm không nhiều (tương ứng với phần trăm chuyển hóa của xanh metylen ở nồng độ thấp). - Khi hỗn hợp phản ứng chỉ có xanh metylen và vật liệu TT05 thì nồng độ xanh metylen cũng giảm theo thời gian khảo sát, chứng tỏ vật liệu TT05 có hấp phụ một phần xanh metylen như quan sát thấy ở hình 3.8. - Khi hỗn hợp phản ứng gồm cả xanh metylen, H 2 O 2 và vật liệu TT05 thì nồng độ xanh metylen giảm mạnh. - Điều này được giải thích là do vật liệu TT05 không chỉ đóng vai trò là chất hấp phụ mà còn là chất xúc tác thúc đẩy quá trình oxi hóa xanh metylen trên bề mặt chất rắn. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metylen và H 2 O 2 (màu trắng) là:. - 15,58 % Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen và TT05 là:. - 20,44 % Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT05 là:. - Xanh metyl + H2O2 Xanh metyl + TT03 Xanh metyl + TT03+ H2O2 200 mg xúc tác TT03 + 200 mL dung dịch xanh metylen 300 ppm. - Hình 1.12: Sự biến đổi nồng độ xanh metylen theo thời gian trên xúc tác TT03 (Mg 0,5 Al 0,3 Fe 0,2 (OH) 2 (CO 3 ) 0.15 .xH 2 O) ở 3000 ppm xanh metylen, nhiệt độ phòng, ánh sáng trắng. - Khi hỗn hợp phản ứng chỉ có hợp chất xanh metylen và H 2 O 2 thì phản ứng oxi hóa xảy ra chậm nên nồng độ xanh metylen trong quá trình khảo sát giảm không nhiều. - Phản ứng đồng thể giữa xanh metylen và H 2 O 2 giảm một cách tuyến tính với hệ số góc nhỏ sau 150 phút. - Khi thêm xúc tác TT03 vào hỗn hợp phản ứng trong điều kiện vắng mặt tác nhân phản ứng thì nồng độ xanh metylen giảm tương tự như trong trường hợp có mặt H 2 O 2 . - Trong trường hợp này, cac phân tử xanh metylen có thể bị hấp phụ và oxi hóa đồng thời bị oxi hóa một phần. - Trong cả hai trường hợp này, hiệu suất chuyển hóa xanh metylen đạt khoảng 15- 20% sau 150 phút và có xu hướng tiếp tục tăng theo thời gian phản ứng. - Khi hỗn hợp có đồng thời cả tác nhân oxi hóa và xúc tác TT03, nồng độ xanh metylen giảm mạnh sau 60 phút và gần như không đổi sau 150 phút khảo sát, chứng tỏ vật liệu TT03 đóng vai trò xúc tác oxi hóa xanh metylen. - Thực vậy, bề mặt xúc tác hấp phụ đồng thời xanh metylen và H 2 O 2 đã thúc đẩy quá trình oxi hóa xanh metylen. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metylen và H 2 O 2 sau 150 phút phản ứng là:. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen và TT03 là:. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT03 là:. - Theo tính toán trên dễ dàng nhận thấy hiệu suất xử lý xanh metylen trong dung dịch tăng mạnh khi có mặt chất xúc tác hidrotalxit Mg-Fe-Al. - và mẫu trắng có mặt H 2 O 2 (19,5%) thì hiệu suất xử lý xanh metylen khi có mặt t xúc tác hidrotalxit đã tăng lân gần gấp 2-3 lần (42,6. - Điều này được giải thích là các ion sắt trong hidrotalxit có thể đóng vai trò là các tâm hoạt động oxi hóa mất mầu xanh metylen, tương tự như xúc tác Fenton đồng thể.. - Hình 1.13: So sánh sự biến đổi xanh metylen của các vật liệu. - Ở cùng điều kiện phản ứng, sự biến thiên nồng độ xanh metylen theo thời gian trên cả hai mẫu xúc tác có thành phần tỉ lệ Mg/Fe khác nhau biến đổi tương tự nhau. - Mặc dù mẫu TT03 giầu Fe hơn mẫu TT05 nhưng độ hiệu suất xử lý xanh metylen của mẫu TT03 hơi thấp hơn so với mẫu TT05 sau 150 phút khảo sát ở cùng điều kiện phản ứng. - Như đã chỉ ra ở hình 3.2 và 3.3B, mẫu TT03 có cường độ tín hiệu nhiễu xạ thấp, kích thước hạt lớn hơn mẫu TT05. - Đây có thể là nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất xử lý xanh metylen trong nước.. - Hình 1.14. - Chuyển hóa xanh metylen ở nhiệt độ phòng 45 o C Nhận xét:. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT03 ở 45 0 C là:. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT05 ở 45 0 C là:. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT04 ở 45 0 C là:. - So sánh với bảng 3.3, chúng ta dễ dàng nhận thấy do hiệu suất xử lý xanh metylen tăng khi nhiệt độ xử lý tăng. - Điều này dễ hiểu vì quá trình chuyển hóa xanh metylen là quá trình thu nhiệt.. - Oxi hóa xanh metylen của xúc tác hidrotalxit dưới ánh sáng tử ngoại. - Hình 1.15: So sánh sự biến đổi xanh metylen của các vật liệu theo ánh sáng UV. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT03 theo ánh sáng UV là:. - Hiệu suất xử lý xanh metylen của hỗn hợp xanh metyen, H 2 O 2 và TT05 theo ánh sáng UV là:. - Theo hiệu suất tính toán được, xanh metylen bị oxi hóa dễ dàng hơn dưới ánh sáng tử ngoại. - Hiệu suất xử lý đạt trên 80% sau 120 phút xử lý. - Từ kết quả khảo sát trên cho thấy các mẫu xúc tác hidrotalxit Mg-Al-Fe-O thể hiện hoạt tính oxi hóa xanh metylen rất tốt trong điều kiện thường (nhiệt độ phòng, ánh sáng thường hoặc UV). - Kết quả nghiên cứu ban đầu hứa hẹn nhiều ứng dụng hidrotalxit chứa Fe cho quá trình xử lý chất thải chứa phẩm màu hữu cơ.. - Qua thời gian tiến hành thực nghiệm tổng hợp xúc tác Mg-Fe-Al hidrotalxit và nghiên cứu ứng dụng vật liệu này làm xúc tác oxi hóa dung dịch xanh metylen, chúng tôi đã nhận được các kết quả đáng chú ý như sau:. - Đã tổng hợp được xúc tác hidrotalxit Mg/Al/Fe theo các tỉ lệ khác nhau và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc xúc tác bằng các phương pháp vật lý: nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng. - Các mẫu xúc tác điều chế có độ tinh thể tương đối cao, kích thước hạt xúc tác đồng đều, diện tích bề mặt từ 70-90 m 2 /g.. - Kết quả cho thấy quá trình oxi hóa xanh metylen phụ thuộc vào bản chất tác nhân oxi hóa, nhiệt độ, nồng độ xanh metylen, ánh sáng ngoài.... - Đã khảo sát quá trình oxi hóa xanh metylen với sự có mặt của xúc tác hidrotalxit nhận thấy các mẫu xúc tác đóng vai trò hấp phụ, xúc tác chuyển hóa xanh metylen với hiệu suất xử lý khá cao. - Sự có mặt của Fe trong Mg-Al hidrotalxit đã cải thiện đáng kể khả năng oxi hóa xanh metylen. - Hiệu suất xử lý xanh metylen đạt 40-50% sau 160 phút phản ứng và 70-80% ở 45 0 C hoặc có ánh sáng UV. - Hiệu suất chuyển hóa xanh metylen phụ thuộc vào lượng Fe tồn tại trong mạng hidrotalxit. - Hiệu suất xử lý xanh metylen được cải thiện đáng kể khi xử lý dưới ánh sáng tử ngoại. - Các kết quả nghiên cứu bước đầu mở ra con đường ứng dụng xúc tác hidrotalxit có thành phần khác nhau cho quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước.. - [1] Nguyễn Đình Bảng (2004), “Giáo trình các phương pháp xử lý nước, nước thải”, Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN.. - [4] Ngô Thị Thuận, Phạm Thị Thắm (2008), “Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của perovskit (La,Ca)Fe 1-x Cu x O 3 trong phản ứng oxi hóa ancol benzylic”, Tạp chí Hóa học, 46 (5), tr. - [5] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Tăng Sơn (2006), “Xúc tác oxi kim loại chuyển tiếp/MCM-41 trong phản ứn oxi hóa ancol benzylic”, Tạp chí Hóa học, 44 (4), tr. - [6] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Tiến Thảo, Phạm Thị Thắm (2009), “Oxi hóa chọn lọc ancol benzylic trên xúc tác perovskit chứa crom manh trên oxi mao quản trung bình”, Tạp chí Hóa học, 47 (2), tr