Chế tạo màng xúc tác quang trên cơ sở cao su thiên nhiên với titan dioxit và zeolit A ứng dụng trong xử lý xanh metylen
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 016-020
Chế tạo màng xúc tác quang trên cơ sở cao su thiên nhiên
với titan dioxit và zeolit A ứng dụng trong xử lý xanh metylen
Preparation of Photocatalyst Membrane from Natural Rubber
with Titanium Dioxide and Zeolite A for Methylene Blue Treatment
Nghiêm Thị Thương*, Nguyễn Thi Hương, Trần Thị Thúy, Nguyễn Phạm Duy Linh
Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam
*Email: thuong.nghiemthi@hust.edu.vn
Tóm tắt
Trong công trình này, một phương pháp đơn giản được sử dụng để chế tạo màng quang xúc tác trên cơ sở
cao su thiên nhiên kết hợp với titan dioxit và zeolit. Bằng phương pháp trộn hợp dạng latex cao su với huyền
phù của TiO2 (pha anatase) và zeolit A trong NH4OH, mẫu sau đó được đổ vào đĩa petri và sấy khô ở 50 oC.
Các đặc tính của màng quang xúc tác được đánh giá và kiểm tra bằng phương pháp SEM, XRD và đo cơ
tính. Khả năng xử lý màu của màng quang xúc tác được đánh giá qua việc sử dụng chất màu xanh metylen
là chất đại diện. Kết quả cho thấy màng xúc tác với hàm lượng rất nhỏ TiO2 và zeolit A có khả năng làm mất
màu xanh metylen dưới sự chiếu sáng của đèn UV. Ảnh hưởng của hàm lượng zeolit đến khả năng phân
hủy chất màu cũng được khảo sát. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng tiến hành đánh giá khả năng tái xử lý chất
màu của màng quang xúc tác HANR/TiO2/ZA và kết quả cho thấy màng vẫn giữ được khả năng xử lý chất
màu. Cơ tính của màng có giảm ít sau khi màng được tái sử dụng.
Từ khóa: Cao su thiên nhiên, titan dioxit, zeolit, xúc tác quang, xanh metylen.
Abstract
A simple method for the preparation of a catalyst membrane from natural rubber with titanium dioxide and
zeolite A was presented in this work. This simple method was based on the mixing TiO2 suspension
(anatase phase), zeolite suspension in NH4OH with natural rubber latex and subsequently casting the
o
mixture into membrane followed by drying at 50 C. The characteristics of the composite membrane were
studied by using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffractometer (XRD) techniques and
mechanical properties measurements. The photocatalytic activity of the HANR/TiO2/ZA was evaluated using
methylene blue (MB) as a model for organic dye pollutant in water. The results showed that the catalyst
membrane prepared with a small amount of TiO2 together with zeolite A could rapidly degrade MB dye
solution in water under UV light irradiation. The effect of amount of zeolite A on the degradation of MB was
also investigated. Furthermore, we evaluated the reusability of the membrane and the result showed that the
catalytic ability of the membrane on MB degradation decreased a little. The mechanical property of the
catalyst membrane was slightly decreased after recycling.
Keywords: natural rubber, titanium dioxide, zeolite A, photocatalyst, methylene blue
1. Giới thiệu
khỏe con người và hơn nữa thuốc nhuộm trong nước
thải rất là khó để loại bỏ vì chúng bền với ánh sáng và
nhiệt độ của môi trường và là tác nhân gây oxy hóa.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để xử lý độ màu
của nước thải chất nhuộm màu từ truyền thống đến
hiện đại như là: đông tụ hóa học, hấp phụ cacbon, bùn
hoạt tính, lọc nhỏ giọt… nhưng hầu hết các phương
pháp đều gặp phải khó khăn trong việc phá hủy các
chất ô nhiễm thuốc nhuộm do cấu trúc hóa học phức
tạp của chúng hoặc cách xử lý chưa được tối ưu [1-3].
đem lại rất nhiều cơ hội và thách thức cho con người.
Đặc biệt, một thách thức lớn đặt ra cho con người là
vấn đề về môi trường. Đây là một vấn đề nóng mà
toàn cầu đang rất quan tâm và tìm các biện pháp xử
lý. Hiện nay các khu công nghiệp đang xảy ra một
thực trạng đáng báo động là ô nhiễm nguồn nước, mà
nguyên nhân chính là do lượng nước thải từ các chất
nhuộm màu. Tất cả chúng ta đều biết tầm quan trọng
thiết yếu của nước và tài nguyên nước là không thể
thay thế. Vậy nên, ta cần có phương pháp xử lý
nguồn nước thải nhuộm màu. Do tính chất tan rất dễ
dàng của các chất nhuộm gây ảnh hưởng lớn đến sức
Ứng dụng tuyệt vời của xúc tác quang đã được
các nhà khoa học nghiên cứu, chứng minh và đưa ứng
dụng vào cuộc sống [4-6]. Trong các chất xúc tác
quang không thể không nói tới TiO2 một xúc tác
quang thông dụng với các ưu điểm rõ rệt: sẵn có, chi
phí thấp, ổn định hóa học và có hoạt tính quang xúc
tác cao. Đặc biệt TiO2 được ứng dụng rất nhiều làm
chất xúc tác quang trong xử lý môi trường, xử lý các
chất màu hữu cơ, do đặc tính phân hủy chất hữu cơ về
ISSN: 2734-9381
Received: February 7, 2020; accepted: July 27, 2020
16
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 016-020
thành các hợp chất vô hại hoặc ít độc hại hơn dưới tác
dụng của nguồn ánh sáng thích hợp.
khoảng 12-15 h, sau đó lật màng ngược lại tiến hành
sấy khô mặt còn lại đến khô (khoảng 12-15 h).
Zeolit là khoáng chất silicat nhôm của một số
kim loại có cấu trúc vi xốp. Zeolit được biết đến
nhiều nhất là một chất hấp phụ được sử dụng trong xử
lý chất màu trong môi trường nước. Gần đây việc chế
tạo vật liệu xúc tác quang trên cơ sở TiO2 kết hợp với
chất hấp phụ zeolit rất được quan tâm vì khả năng
hấp phụ của zeolit giúp làm giàu chất hữu cơ, thúc
đẩy quá trình chuyển hóa và làm tăng tính xúc tác
quang của TiO2. Do TiO2 và zeolit đều ở dạng bột
nên khi sử dụng thực tế gây ra nhiều khó khăn trong
việc xử lý chất bột, khó thu hồi và không thể tái sử
dụng [7,8].
Như vậy, màng quang xúc tác HANR/TiO2/ZA
đã được chế tạo thành công với hàm lượng zeolit A
lần lượt là 5%, 10%, 15%. Để so sánh, ta chế tạo
thêm 2 hai màng HANR, HANR/TiO2. Màng
HANR/TiO2 thì được chế tạo với phương pháp tương
tự. Riêng với màng HANR, thì được đổ màng phim
trực tiếp từ cao su và sấy khô.
Các mẫu xúc tác có thành phần khác nhau đã
được chế tạo và đưa ra ở Bảng 1.
2.3. Đánh giá khả năng xúc tác quang
Khả năng quang xúc tác của màng
HANR/TiO2/ZA được đánh giá thông qua sự mất
màu của dung dịch xanh metylen. Màng xúc tác được
đưa vào hệ chứa một thể tích xác định dung dịch
nồng độ xanh metylen nồng độ 20 mg/L. Sự thay đổi
nồng độ chất màu sau khi được xử lý với màng xúc
tác được đánh giá bằng máy quang phổ hấp thụ
UV-VIS (HACH DR6000) thông qua việc xây dựng
đường chuẩn như sau: các dung dịch có nồng độ 2, 4,
6, 8 mg/L được pha và đo độ hấp thụ quang tại bước
sóng hấp thụ cực đại. Hiệu suất hấp thụ màu xanh
metylen của màng xúc tác quang được xác định bằng
công thức:
Cao su thiên nhiên là vật liệu được tách từ mủ
cây cao su, có thành phần hóa học là các chuỗi poly
cis-1,4-isopren bao quanh bởi các hợp phần như
protein, axit béo, lipit…tạo thành hệ nhũ tương bền
trong nước [9]. Cao su thiên nhiên với đặc tính đàn
hồi tuyệt vời, khả năng tạo màng rất tốt được ứng
dụng nhiều trong các sản phẩm như gang tay cao su,
lốp xe. Việc ứng dụng cao su thiên nhiên là một chất
mang cho vật liệu xúc tác quang đã có các nghiên cứu
trên thế giới [4,10] nhưng ở Việt nam thì chưa có một
công trình nào đề cập đến.
Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi nghiên
cứu tổng hợp màng quang xúc tác dựa trên vật liệu
cao su thiên nhiên, titan dioxit và zeolit nhằm giải
quyết vấn đề vừa xử lý được chất thải màu, vừa có
khả năng thu hồi màng xúc tác và tái sử dụng. Chất
thải màu xanh metylen được sử dụng là chất màu đại
diện để nghiên cứu khả năng xúc tác của màng quang
xúc tác dưới tác dụng chiếu sáng của đèn UV.
Hiệu suất =
.100%
trong đó: Co: nồng độ ban đầu của xanh metylen
(mg/L), Ct: nồng độ của xanh metylen tại thời điểm
t (mg/L).
Bảng 1. Thành phần chế tạo các mẫu
Cao su
khô
(gam)
2. Thực nghiệm
TiO2 Zeolit A
Mẫu
(gam)
(gam)
2.1. Hóa chất
Titan dioxit (98%, pha anatase) được cung cấp
bởi công ty OIC New, Việt Nam. Cao su thiên nhiên
hàm lượng amoniac cao (high ammonia natural
rubber, HANR (DRC, 60%). Dung dịch amoniac
(28-30%, pH=13), xanh metylen được mua của hãng
Xi-long, Trung Quốc. Zeolit A được cung cấp bởi
phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ, Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội.
HANR
5
5
5
5
5
0
0
HANR/TiO2
0,05
0,05
0,05
0,05
0
HANR/TiO2/ZA-5%
HANR/TiO2/ZA-10%
HANR/TiO2/ZA-15%
0,0025
0,0050
0,0075
2.2. Phương pháp chế tạo màng HANR/TiO2/ZA
Sơ đồ tổng hợp màng xúc tác được đưa ra ở
Hình 1. Phân tán 0,0025 gam zeolit A trong 5 mL
NH4OH và 0,05 gam TiO2 trong 10 mL NH4OH.
Trong khi đó cân 5 gam cao su khô (từ DRC= 60%,
tính được khối lượng HANR tương đương với 5 gam
cao su khô là 8,33 gam). Sau khi đã phân tán được
TiO2 và zeolit A đổ vào cốc chứa 8,33 gam HANR
tiến hành khuấy tới khi dung dịch đồng nhất, khuấy
khoảng 30 phút. Khi dung dịch đã đồng nhất, đổ ra
Hình 1. Sơ đồ tổng hợp màng xúc tác
o
đĩa petri và đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ 50 C trong
17
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 016-020
2.4. Đánh giá cấu trúc của vật liệu
Hình thái của màng quang xúc tác được xác định bằng phưning electron microscop
khuôn có dạng hình mái chèo theo tiêu chuẩn JIS
K6251. Mỗi mẫu được đo lặp lại 3 lần.
3. Kết quả và thảo luận
Màng xúc tác quang HANR/TiO2/ZA đã được
chế tạo thành công bằng một phương pháp đơn giản
nhưng hiệu quả, trộn TiO2 và zeolit vào trong cao su
thiên nhiên ở dạng latex. Hình 2 là hình ảnh màng
cao su và màng composit. Bằng mắt thường có thể
thấy được bề mặt cao su có màu trắng đục hơn so với
màng composit. Điều này có thể giải thích do các hạt
Hình 3. Ảnh SEM của mẫu HANR/TiO2
TiO2 và zeolit A đã phân tán vào cao su.
3.1. Hình thái học của màng composit
Hình thái học bề mặt của màng composit được
quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét. Hình 3 và 4
là kết quả đo ảnh SEM của màng HANR/TiO2/ZA và
màng HANR/TiO2. Kết quả cho thấy hình thái bề mặt
của màng HANR/TiO2/ZA và HANR/TiO2, dễ quan
sát được màng HANR/TiO2/ZA có bề mặt nhám hơn
và xuất hiện các hạt phân tử trắng phân bố đều trên bề
mặt cao su, màng HANR có bề mặt mịn hơn rất
nhiều. Điều này đã cho thấy được các hạt TiO2 và
zeolit đã được phân tán vào cao su đồng đều.
Hình 4. Ảnh SEM của mẫu HANR/TiO2/zeolit A
Hình 5. Giản đồ XRD của TiO2, zeolit A và
HANR/TiO2/ZA
3.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 5 mô tả kết quả nhiễu xạ tia X của bột
TiO2, bột zeolit và màng HANR/TiO2/ZA. Ta thấy,
đối với bột TiO2 dạng anatase, peak đầu tiên xuất
hiện ở khoảng 26o tương ứng với d = 3.552 Ao, peak
ở khoảng 38o ứng với d = 2.379 Ao và một peak ở
khoảng 48o ứng với d =1.892Ao. Đối với màng
HANR/TiO2/ZA có sự xuất hiện các peak ở khoảng
26o có d = 2,379 Ao, peak khoảng 38o ứng với
d = 2.379 Ao và peak ở khoảng 48o có d = 1.890 Ao.
Hình 2. Mẫu cao su (trên) và màng xúc tác (dưới)
Dựa vào đây ta thấy phổ nhiễu xạ tia X của màng
18
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 016-020
HANR/TiO2/ZA có các peak tương ứng so với phổ
hiệu quả xử lý chất màu. Màng sau khi xử lý có màu
xanh nhạt, chứng tỏ có một phần xanh metylen chỉ bị
hấp phụ mà không bị phân hủy. Nguyên nhân có thể
là do tồn tại một phần sự phân bố riêng rẽ của TiO2
và zeolit trên nền cao su thiên nhiên.
nhiễu xạ tia X của bột TiO2, điều này là do TiO2 vẫn
giữ nguyên được các cấu trúc tinh thể anatase như
trong màng HANR/TiO2/ZA. Trong khi đó, thì đỉnh
peak của zeolit A không được xuất hiện điều này
được giải thích là do lượng zeolit A dùng rất là nhỏ.
3.3. Đánh giá hoạt tính xúc tác
Để đánh giá hoạt tính xúc tác xử lý chất màu
xanh metylen, chúng tôi xây dựng đường chuẩn dựa
vào sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang, A, vào nồng
độ theo phương trình Lambert-Beer:
A = ε.l.C (C là nồng độ xanh metylen, mg/L)
Hình 7. So sánh hiệu suất khử chất màu của màng có
và không có TiO2
Hình 6. Đường chuẩn xây dựng bằng phương pháp đo
độ hấp thụ quang
Dựa vào hệ số R2 của phương trình y = 0,1828x
+ 0,005 có thể thấy độ tin cậy của đường chuẩn được
sử dụng.
Hình 7 thể hiện đánh giá hiệu quả xử lý chất
màu xanh metylen của màng cao su HANR và màng
quang xúc tác HANR/TiO2, dễ thấy được rằng sau
6 giờ chiếu sáng đối với màng HANR độ hấp thụ
quang của mẫu không bị thay đổi nghĩa là màng
HANR không hề có khả năng làm mất màu xanh
metylen, ngược lại đối với màng HANR/TiO2 độ hấp
thụ quang của xanh metylen giảm rất nhanh điều này
chứng tỏ màng TiO2 chính là nguyên nhân của việc
làm phân hủy chất màu xanh metylen và hiệu suất xử
lý lên tới 80% sau 6 giờ.
Hình 8. So sánh ảnh hưởng của hàm lượng zeolit A
đến hiệu suất xử lý chất màu
3.4. Đánh giá khả năng tái sử dụng của màng xúc
tác
Một đặc điểm ưu việt của màng quang xúc tác
HANR/TiO2/ZA là có khả năng thu hồi và tái sử
dụng. Hình 9 thể hiện kết quả tái sử dụng màng xúc
tác HANR/TiO2/ZA – 15% để xử lý chất màu. Kết
quả cho thấy hiệu quả xử lý chất màu của màng vẫn
cho hiệu quả rất cao sau 6 giờ chiếu sáng, hiệu suất
xử lý lên tới 87%.
Hình 8 thể hiện hiệu suất xử lý chất màu xanh
metylen của các màng quang xúc tác với các hàm
lượng zeolit A khác nhau và với cùng hàm lượng
TiO2. Dễ thấy với mỗi hàm lượng zeolit A khác nhau
thì hiệu suất xử lý chất thải màu cũng khác nhau. Với
màng quang xúc tác có hàm lượng zeolit A lớn nhất
thì có hiệu quả xử lý chất màu cao nhất. Các màng
xúc tác có bổ sung zeolit có hiệu quả cao hơn so với
mẫu không có zeolit. Điều này đã chứng minh được
tác dụng của zeolit A là một chất hấp phụ để tăng
Độ bền của màng xúc tác sau khi xử lý chất màu
được so sánh với màng trước khi xử lý và kết quả
được thể hiện ở Hình 10. Nhận thấy, màng xúc tác
trước xử lý chất màu có cơ tính cao hơn màng cao su
HANR ban đầu. Điều này là do sự gia cường của
TiO2 và zeolit như là chất độn trong cao su. Sau một
19
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 016-020
lần sử dụng, cơ tính của màng xúc tác có chút giảm
có thể đạt tới 98%. Cơ tính của màng có giảm chút
khi màng được tái sử dụng. Hướng nghiên cứu mở ra
một ứng dụng tuyệt vời cho vật liệu cao su thiên
nhiên trong lĩnh vực xử lý môi trường.
nhưng vẫn tốt hơn màng cao su ban đầu. Điều này
chứng tỏ, việc xử lý chất màu đã làm giảm đi cơ tính
của màng xúc tác, tuy nhiên màng xúc tác vẫn duy trì
được độ bền cơ học cao hơn so với với màng cao su
HANR ban đầu.
Lời cảm ơn
Tác giả xin chân thành cám ơn TS. Lê Văn
Dương, bộ môn Hóa hữu cơ, Viện KTHH, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp zeolit A và
chất màu xanh metylen dùng trong nghiên cứu này.
Tài liệu tham khảo
[1]. G. Samchestshabam, H. Ajmal, T.G. Choudhury,
Impact of Textile Dyes Waste on aquatic
environments and its treatments, Environ. Eco.,
vol.35, no.3, pp.2349-2353, 2017.
[2]. D.S. Kharat, Advance methods for treatment of
textile industry effluents, J. Environ. Res., vol.9, no.4,
pp.1210-1213, 2015.
[3]. P. Kumar, R. Agnihotri, K.L. Wasewar, H. Uslu, C.
Yoo, Status Absorptive removal of dye from textile
industry effluent, Desalin. Water. Treat, vol. 50, no.
3, pp. 226-244, 2012.
Hình 9. Hiệu suất xử lý chất màu của màng tái sử
dụng
[4]. C. Sriwong, W. Tejangkur, AC/TiO2/Rubber
Composite
Sheet
Catalyst,
Fabrication,
Characterization and Photocatalytic Activities,
MATEC Web of Conferences 30, 2015, India, 6
pages.
[5]. A. Wold, Photocatalytic Properties of TiO2,
Chemistry of Materials, vol. 5, no. 3, pp. 280-283,
1993.
[6]. J. Datta, P. Kosiorek, M. Włoch, Effect of high
loading of titanium dioxide particles on the
morphology, mechanical and thermo‑mechanical
properties of the natural rubber‑based composites,
Iran. Polym. J, vol. 25, pp. 1021-1035, 2016.
[7]. M. Moshoeshoe, M.S.N.Tabbiruka, V. Obuseng, A
Review of the Chemistry, Structure, Properties and
Applications of Zeolites, Am. J. Mater. Sci, vol. 7,
no. 5, pp.196-221, 2017.
Hình 10. Cơ tính của màng trước, sau xử lý và màng
cao su ban đầu
[8]. M. Zendelhel, Z. Kalateh, Z. Mortezaii,
Photocatalytic activity of the nano-sized TiO2/NaY
zeolite for removal of methylene blue, J. Novel. Appl.
Sci, vol.3, no.2, pp. 135-141, 2014.
4. Kết luận
Màng quang xúc tác HANR/TiO2/ZA được chế
tạo bằng một phương pháp đơn giản và không tốn
nhiều chi phí, tích hợp được tính chất đặc biệt của
TiO2 là xúc tác quang và tính chất hấp phụ của zeolit
để tăng hiệu quả xử lý chất màu của xanh metylen
dưới sự chiếu sáng của đèn UV. Xúc tác có thể tái sử
dụng mà vẫn duy trì được hiệu suất xử lý khá tốt. Kết
quả thực tế xử lý đã cho thấy sau 6 giờ chiếu sáng thì
màng quang xúc tác đã xử lý chất màu xanh metylen
[9]. J.T. Sakdapipanich, Current study on structural
characterization and unique film formation of Hevea
brasiliensis natural rubber latex, Adv. Mat. Res,
vol.844, pp. 498-501.
[10]. K.S.Tan, J. Riley, Synthesis and Photocatalytic
activity of natural rubber/titanates nanocomposite, J.
Rubb. Res., vol.14, no.3, pp. 139-150, 2011.
20
5 trang
18/04/2022
1200
Bạn đang xem tài liệu "Chế tạo màng xúc tác quang trên cơ sở cao su thiên nhiên với titan dioxit và zeolit A ứng dụng trong xử lý xanh metylen", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- che_tao_mang_xuc_tac_quang_tren_co_so_cao_su_thien_nhien_voi.pdf
