Luận văn Nghiên cứu ứng dụng hệ xúc tác quang Fenton trên cơ sở Nano Mofs trong xử lý chất bảo vệ thực vật Chlorpyrifos trong môi trường nước

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ứng dụng hệ xúc tác quang Fenton trên cơ sở Nano Mofs trong xử lý chất bảo vệ thực vật Chlorpyrifos trong môi trường nước

1. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Thị Thoa NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ XÚC TÁC QUANG FENTON TRÊN CƠ SỞ NANO MOFS TRONG XỬ LÝ CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT CHLORPYRIFOS TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2020
2. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Hoàng Thị Thoa NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ XÚC TÁC QUANG FENTON TRÊN CƠ SỞ NANO MOFS TRONG XỬ LÝ CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT CHLORPYRIFOS TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường Mã số : 8520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Ngọc Tùng Hà Nội - 2020
3. i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Ngọc Tùng đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng tới Học viện Khoa học Công nghệ và các thầy cô giáo Khoa Công nghệ môi trường đã giảng dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức giúp em hoàn thiện các môn học và biết thêm nhiều kỹ năng để áp dụng vào thực tiễn công việc. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp phòng Phát triển Công nghệ và Dịch vụ đo lường - Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng toàn thể các cán bộ làm việc tại Trung tâm đã luôn hỗ trợ, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ phòng Hóa học bề mặt- Viện Hóa học đã tạo điều kiện cho em học tập cũng như tiến hành thực nghiệm để hoàn thiện luận văn này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè đã luôn ở bên em, ủng hộ, động viên, giúp đỡ và luôn là chỗ dựa vững chắc cho em trong suốt thời gian vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Hoàng Thị Thoa
4. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4 1.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT CHLORPYRIFOS 4 1.1.1. Tổng quan về chất bảo vệ thực vật (BVTV) 4 1.1.2. Tổng quan về chất bảo vệ thực vật Chlorpyrifos 11 1.1.3. Tổng quan về tình hình sử dụng chất bảo vệ thực vật Chlorpyrifos tại Việt Nam và trên thế giới 9 1.2. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG QUANG FENTON VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHẤT XÚC TÁC KHUNG CƠ KIM TRONG PHẢN ỨNG QUANG FENTON 12 1.2.1. Tổng quan về phản ứng quang Fenton 12 1.2.2. Tổng quan về vật liệu khung cơ kim MOFs 14 1.2.3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu khung cơ kim MOFs 16 1.2.4. Ứng dụng của vật liệu MOFs trong phản ứng quang Fenton xử lý chất ô nhiễm gốc hữu cơ 20 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 23 2.1.1. Hóa chất 23 2.1.2. Thiết bị 23
5. iii 2.2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 25 2.2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu graphen oxit 25 2.2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu Fe-BTC/GO 27 2.2.3. Phương pháp thử nghiệm khảo sát tính năng xúc tác quang hóa của vật liệu Fe-BTC/GO 29 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 31 2.3.1. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 31 2.3.2. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FT-IR) 31 2.3.3. Phương pháp phân tích quang phổ tử ngoại – khả kiến (UV–Vis) 31 2.3.4. Phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31 2.3.5. Phương pháp phân tích đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 (BET) 32 2.3.6. Phương pháp phân tích đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 (BET) 32 2.3.7. Phương pháp phân tích nhu cầu oxy hóa học (COD) 32 2.3.8. Phương pháp phân tích sắc kí khí ghép nối khối phổ (GC/MS) 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1. PHÂN TÍCH CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU FE-BTC/GO TỔNG HỢP ĐƯỢC 38 3.1.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 38 3.1.2. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) 39 3.1.3. Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 41 3.1.4. Kết quả phân tích đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 (BET) 44 3.1.5. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FT-IR) 46 3.1.6. Kết quả phân tích quang phổ tử ngoại – khả kiến (UV–Vis) 48
6. iv 3.2. NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA VẬT LIỆU FE-BTC/GO SỬ DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHLORPYRIFOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG FENTON 50 3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của loại chất xúc tác lên quá trình phân hủy quang Fenton của Chlorpyrifos 55 3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos 50 3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos 52 3.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác ban đầu lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos 59 3.2.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện phản ứng lên quá trình phân hủy của chlorpyrifos 62 3.2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chlorpyrifos ban đầu lên quá trình phân hủy của chlorpyrifos 63 3.2.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của số lần sử dụng chất xúc tác lên quá trình phân hủy của chlorpyrifos 65 3.2.8. Nghiên cứu đánh giá cơ chế phân hủy của Chlorpyrifos trong hệ phản ứng quang Fenton xúc tác bằng Fe-BTC/GO-30 68 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO i
7. v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Phân chia độc tính của chất BVTV theo LD50 ......................... 6 Bảng 1.2. Số lượng các hoạt chất và tên thương mại chất BVTV được sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam năm 2019 ............................................ 10 Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất sử dụng trong luận văn 23 Bảng 2.2. Các thông số điều kiện sử dụng máy GC/MS cho chất Chlorpyrifos .................................................................................................... 36 Bảng 3.1. Thành phần các nguyên tố trong vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau 43 Bảng 3.2. Các thông số đặc trưng của vật liệu GO, và vật liệu Fe- BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau ................................................... 45
8. vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sự lưu chuyển của chất BVTV trong môi trường nước .................... 8 Hình 1.2. Hệ phản ứng quang Fenton tự chế tạo ............................................ 24 Hình 1.3. Hình ảnh cùng một khối lượng vật liệu (A) graphit oxit, và (B) graphen oxit ..................................................................................................... 27 Hình 1.4. Quy trình chế tạo vật liệu Fe-BTC/GO ........................................... 28 Hình 1.5. Các mẫu vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian xử lý bằng vi sóng khác nhau ................................................................................................................. 29 Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khảo sát tính năng xúc tác quang hóa của vật liệu Fe-BTC/GO ................................................................................. 30 Hình 1.7. Sơ đồ quy trình phân tích COD ...................................................... 34 Hình 1.8. Đường chuẩn Chlorpyrifos ............................................................ 37 Hình 2.1. Hệ phản ứng quang Fenton tự chế tạo 24 Hình 2.2. Hình ảnh cùng một khối lượng vật liệu (A) graphit oxit, và (B) graphen oxit ..................................................................................................... 27 Hình 2.3. Quy trình chế tạo vật liệu Fe-BTC/GO ........................................... 28 Hình 2.4. Các mẫu vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian xử lý bằng vi sóng khác nhau ................................................................................................................. 29 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khảo sát tính năng xúc tác quang hóa của vật liệu Fe-BTC/GO ................................................................................. 30 Hình 2.6. Sơ đồ quy trình phân tích COD ...................................................... 34 Hình 2.7. Hệ thống GC 7890B, GC 5977A đặt tại phòng thí nghiệm của Trung tâm ........................................................................................................ 36 Hình 2.8. Đường chuẩn Chlorpyrifos ............................................................ 37
9. vii Hình 3.1. Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau 38 Hình 3.2. Ảnh SEM của vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau 40 Hình 3.3. Ảnh SEM của vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau: (a) mẫu Fe-BTC/GO-10 kết tinh 10 phút, (b) mẫu Fe-BTC/GO-20 kết tinh 20 phút, (c) mẫu Fe-BTC/GO-30 kết tinh 30 phút, và (d) mẫu Fe- BTC/GO-40 kết tinh 40 phút 42 Hình 3.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 của vật liệu Fe- BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau 44 Hình 3.5. Phổ FT-IR của vật liệu GO, và vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau 47 Hình 3.6. Kết quả phân tích quang phổ UV–Vis của vật liệu Fe-BTC/GO với thời gian kết tinh khác nhau 48 Hình 3.7. Ảnh hưởng của độ pH lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 50 Hình 3.8. Ảnh hưởng của độ pH lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 51 Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu trong dung dịch lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 53 Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 ban đầu trong dung dịch lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 54 Hình 3.11. Ảnh hưởng của loại chất xúc tác Fe-BTC/GO lên quá trình phân hủy quang Fenton của Chlorpyrifos theo nồng độ Chlorpyrifos 56 Hình 3.12. Ảnh hưởng của loại chất xúc tác Fe-BTC/GO lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 57 Hình 3.13. Ảnh hưởng của loại chất xúc tác lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 57
10. viii Hình 3.14. Ảnh hưởng của loại chất xúc tác lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 58 Hình 3.15. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác ban đầu trong dung dịch lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 60 Hình 3.16. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác ban đầu trong dung dịch lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 61 Hình 3.17. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng lên quá trình phân hủy của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 63 Hình 3.18. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng lên quá trình phân hủy của chlorpyrifos của chlorpyrifos theo COD 63 Hình 3.19. Ảnh hưởng của nồng độ chlorpyrifos ban đầu trong dung dịch lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 65 Hình 3.20. Ảnh hưởng của nồng độ chlorpyrifos ban đầu trong dung dịch lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 65 Hình 3.21. Ảnh hưởng của số lần sử dụng chất xúc tác lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo nồng độ chlorpyrifos 67 Hình 3.22. Ảnh hưởng của số lần sử dụng chất xúc tác lên quá trình phân hủy quang Fenton của chlorpyrifos theo COD 67 Hình 3.23. Khối phổ MS của Chlorpyrifos 69 Hình 3.24. Khối phổ MS của sản phẩm phân hủy Chlorpyrifos (1) 69 Hình 3.25. Khối phổ MS của sản phẩm phân hủy Chlorpyrifos (2) 70 Hình 3.26. Đề xuất cơ chế phân hủy của Chlorpyrifos trong hệ phản ứng quang Fenton xúc tác bằng Fe-BTC/GO-30 70