Tài liệu Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của bùn đỏ lâm đồng trong phản ứng oxi hóa metylen xanh bằng hydroperoxide

UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP D13HH03 BẢO VỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Năm học: 2014 - 2015 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đình Dũ Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Diễm Trang Sinh viên thực hiện 1. Đoàn Thị Diễm Trang (chính) 2. Nguyễn Đặng Thủy Tiên 3. Lý Ngọc Tâm NỘI DUNG 1 2 3 4 • Tổng quan • Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm • Kết quả và thảo luận • Kết luận và kiến nghị 1.Tổng quan 1.1 Giới thiệu về bùn đỏ Bùn đỏ (red mud) được tạo ra trong quá trình sản xuất alumina (nhôm oxit) theo qui trình Bayer. Sau khi trộn quặng bauxite với dung dịch natri hidroxit ở nhiệt độ và áp suất cao, nhôm oxit được hoà tan trong dung dịch và còn lại chất cặn rắn là bùn đỏ theo các phương trình phản ứng sau: Al2O3.H2O + Na(OH).3H2O = NaAl2O3(OH) + 4H2O + bùn đỏkhông tan Al2O3.3H2O + Na(OH).3H2O = NaAl2O3(OH) + 6H2O + bùn đỏkhông tan Hình 1.1. Qui trình sản xuất alumina từ quặng bauxite 1.Tổng quan 1.2 Giới thiệu về metylen xanh Metylen xanh (Methylene blue, C16H18ClN3S.3H2O) là loại phẩm nhuộm được sử dụng trong công nghệ nhuộm và cũng là cấu tử gây ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm. Ở dạng rắn, metylen xanh là các tinh thể màu xanh lá cây thẫm có ánh đồng đỏ hoặc là bột nhỏ màu xanh lá cây thẫm. Khó tan trong nước lạnh và rượu etylic. Khi đun nóng thì tan dễ hơn. Các dung dịch có màu xanh. Không tan trong ete, benzen và clorofom. 1.2 Giới thiệu về metylen xanh 1.Tổng quan Metylen xanh có kích thước phân tử khá lớn (>15 Å), công thức cấu tạo: N H3C N CH3 + S Cl- CH3 N CH3 Hình 1.2. Công thức cấu tạo của metylen xanh 2. Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm. 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2.1.1. Mục tiêu Khảo sát hoạt tính xúc tác của bùn đỏ trong hệ phản ứng Fenton. 2.1.2. Nội dung - Xử lí và xác định thành phần hóa học của bùn đỏ. - Khảo sát ảnh hưởng của pH đến phản ứng oxi hóa xanh metylen bằng H2O2 với chất xúc tác là bùn đỏ. - Xác định phương trình động học phản ứng oxi hóa xanh metylen bằng H2O2 trên xúc tác bùn đỏ. - Khảo sát khả năng hoàn nguyên của chất xúc tác. 2. Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm. 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Hiển vi điện tử quét và phân tích năng lượng tán xạ tia X 2.2.2. Phổ tử ngoại và khả kiến 2. Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm. 2.3 Thực nghiệm 2.3.1. Vật liệu và hoá chất Bùn đỏ được cung cấp bởi nhà máy alumina Tân Rai (Bảo Lâm, Lâm Đồng). Các hoá chất: xanh metylen, H2O2, HCl và NaOH (QuangZou, Trung Quốc) được sử dụng trong nghiên cứu này. 2. Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm. 2.3 Thực nghiệm Ban đầu, bùn đỏ được sấy khô ở 105oC và rây thành hạt nhỏ ta thu được bột bùn đỏ thô. Bột bùn đỏ thô được xử lí bằng cách rửa 2 lần với axit HCl (0,1 mol/L trong 4 giờ với tỉ lệ 1:25 (g/mL) về khối lượng bùn đỏ/thể tích dung dịch). Sau đó, lọc, rửa bằng nước cất và sấy khô ở 105oC ta thu được bùn đỏ đã được axit hoá. Bùn đỏ sau khi đã axit hóa được hoạt hóa bằng cách nung ở 700oC trong 4 giờ, sản phẩm (kí hiệu BĐA-700) được sử dụng làm chất xúc tác. 2. Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm. 2.3 Thực nghiệm 2.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác Xanh metylen (kí hiệu MB) có công thức phân tử C16H18N3SCl và khối lượng mol 319,85 g/mol được sử dụng như là một thuốc nhuộm điển hình để nghiên cứu mô hình động học phản ứng. 2. Nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm. 2.3 Thực nghiệm Hoạt tính xúc tác của mẫu BĐA-700 được khảo sát đối với phản ứng oxi hóa MB trong dung dịch nước bằng hydroperoxit ở nhiệt độ 30oC trong bình cầu hai cổ dung tích 500 mL. 0,1 g xúc tác được khuấy trộn với 100 mL dung dịch MB có nồng độ, pH xác định (pH được điều chỉnh bằng dung dịch HCl 0,2M hoặc NaOH 0,2M) và một hàm lượng hydroperoxit nhất định. Sau mỗi khoảng thời gian xác định, 5 mL dung dịch được lấy ra, li tâm để loại bỏ chất xúc tác, nồng độ của MB còn lại trong dung dịch được xác định bằng phương pháp UV-Vis trên máy UVD3000 (Labomed, Mỹ). 3. Kết quả và thảo luận 3.1 Thành phần hóa học của chất xúc tác 1000 002 900 Al 800 O 700 Fe Cr Ti Counts 600 500 Fe Ti Fe Si TiKesc Ca FeKesc TiLsum AlKsum Ca Ti Na NaKsum Ti SiKsum Cr 400 300 200 Fe Cr TiKsum 100 0 002 0.00 100 100 µm µm 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 3.1. Phổ EDX và thành phần các nguyên tố của mẫu BĐA-700 3. Kết quả và thảo luận 3.1 Thành phần hóa học của chất xúc tác Thành phần hóa học của chất xúc tác được phân tích bằng EDX và kết quả phân tích EDX cho thấy rằng Fe là nguyên tố chính trong mẫu BĐA-700 với phần trăm về khối lượng là 48,45%. Kết quả này cho thấy rằng mẫu BĐA-700 có khả năng xúc tác cao cho hệ phản ứng Fenton. kết quả trình bày ở hình 3.1 3. Kết quả và thảo luận 3.2 Phổ UV-Vis của xanh metylen ở các môi trường có pH khác nhau §é hÊp thô 2.0 Ở pH = 11, phổ UV-Vis của xanh metylen dịch chuyển về phía sóng ngắn và có cực đại hấp thụ ở bước sóng max = 615 nm 1.5 1.0 pH = 3 pH = 5 pH = 7 pH = 9 pH = 11 0.5 0.0 400 500 600 700 800  (nm) Hình 3.2. Phổ hấp thụ UV-Vis của xanh metylen ở các pH khác nhau 3. Kết quả và thảo luận 3.3. Hoạt tính xúc tác và hấp phụ của mẫu BĐA-700 a b c d 100 Ct /Co (%) 90 80 70 60 50 40 0 60 120 180 BĐA-700 có hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxi hóa ướt MB bằng hydroperoxit. - Chất xúc tác có khả năng tái sử dụng cao. 240 t (phót) Hình 3.3. Sự phân hủy MB dưới các điều kiện khác nhau: a. MB + H2O2; b. MB + BĐA-700; c. MB + H2O2 + BĐA-700; và d. MB + H2O2 + BĐA-700(r) 3. Kết quả và thảo luận 1.6 1.4 §é hÊp thô 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 3.3. Hoạt tính xúc tác và hấp phụ của mẫu BĐA-700 Hình dáng của các đường cong không khác nhau, chứng tỏ quá trình oxi hóa 0 phót 10 gi©y xanh metylen không 10 phót 120 phót tạo ra các sản phẩm 180 phót 240 phót trung gian, mà bị khoáng hóa hoàn toàn tạo thành các hợp chất cô vơ đơn giản.  (nm) 400 500 600 700 800 Hình 3.4. Phổ UV-Vis của sự phân hủy MB bằng H2O2 trên xúc tác BĐA-700 theo thời gian 3. Kết quả và thảo luận 3.4. Nghiên cứu phản ứng oxi hóa xanh metylen bằng H2O2 với xúc tác BĐA-700 3.4.1 Ảnh hưởng của pH Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy MB bằng H2O2 trên xúc tác BĐA-700 được trình bày ở hình 3.5. 3. Kết quả và thảo luận 3.4.1 Ảnh hưởng của pH 100 pH = 3 pH = 5 pH = 7 pH = 9 pH = 11 Ct /Co (%) 90 80 70 60 50 0 60 120 180 Ở pH bằng 3 và 11, sự phân hủy MB xảy ra không đáng kể; Ở pH = 5 – 9, hiệu suất phân hủy MB không khác nhau nhiều và tỉ lệ Ct/Co đạt giá trị 55 – 63% ở thời điểm 240 phút 240 t (phót) Hình 3.5. Sự phân hủy MB ở các pH dung dịch ban đầu khác nhau (nồng độ MB ban đầu 3,13.105 mol/L; nồng độ H2O2 ban đầu 0,19204 mol/L)