Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy của sợi than hoạt tính phủ magie aminoclay-titan dioxit (MgAC-TiO₂/ACF) đối với xanh malachite
Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 12
1
Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy của sợi than hoạt tính
phủ magie aminoclay-titan dioxit (MgAC-TiO2/ACF)
đối với xanh malachite
Nguyễn Ngọc Thanh
Viện Kĩ thuật Công nghệ cao NTT, Đại học Nguyễn Tất Thành
Tóm tắt
Nhận
06.12.2020
Sợi than hoạt tính phủ magie aminoclay-titan dioxit (MgAC-TiO2/ACF) đã được tác giả tổng
hợp và được chứng minh có hoạt tính quang xúc tác phân hủy đối với xanh methylen ở nồng độ
triethoxysilane, etanol, magie clorua ngậm nước, tetrabutyl titanate và vải than hoạt tính, sau đó
được đánh giá hiệu suất quang xúc tác phân hủy đối với xanh malachite ở các nồng độ khác
nhau. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy của MgAC-TiO2/ACF (kích thước 1 cm × 1 cm) đối
với xanh malachite ở các nồng độ 10 ppm, 12,5 ppm và 15 ppm được khảo sát bằng cách thu
mẫu sau mỗi 20 phút kể từ lúc hệ MgAC-TiO2/ACF trong xanh malachite đạt cân bằng hấp phụ
và được chiếu tia cực tím 365 nm. Sự giảm nồng độ của xanh malachite thể hiện bằng sự thay
Được duyệt 18.12.2020
Công bố
30.12.2020
Từ khóa
đổi cường độ đỉnh hấp thụ quang cực đại tại bước sóng 618 nm. MgAC-TiO2/ACF được chứng aminoclay,
minh là có hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite dưới sự chiếu tia cực tím 365 nm. quang xúc tác,
Hiệu suất quang xúc tác bị ảnh hưởng nghịch bởi nồng độ của xanh malachite. Hiệu suất quang titan dioxit,
xúc tác phân hủy xanh malachite của MgAC-TiO2/ACF (1 cm × 1 cm) ở các nồng độ 10 ppm, xanh malachite
12,5 ppm và 15 ppm lần lượt là 27,36 %, 5,34 % và 0,82 %.
® 2020 Journal of Science and Technology - NTTU
quá trình quang xúc tác diễn ra hiệu quả [6-8].
1 Đặt vấn đề
TiO2 kết hợp là một lựa chọn phù hợp để giải quyết các vấn
Titan dioxit (TiO2) là một oxit kim loại bán dẫn, được dùng
đề này. Trong số các chất nền, sợi than hoạt tính (activated
như chất quang xúc tác thông dụng nhờ những đặc tính nổi
carbon fiber, ACF) thường được sử dụng làm chất mang
trội như hoạt tính quang xúc tác và tính bền quang cao, thế
xúc tác cho các mục đích khác nhau vì đây là loại vật liệu
carbon xốp mịn với sự phân bố kích cỡ lỗ vi xốp đồng đều
ứng dụng tiềm năng trong khử nhiễm môi trường đối với
hơn và thể tích lỗ xốp lớn hơn so với than hoạt tính dạng
nhiều loại chất hữu cơ, vi khuẩn, virus, nấm, tảo, và tế bào
hạt [9-11]. Mặc dù có khả năng hấp phụ hiệu quả nhiều chất
ung thư trong pha khí và pha lỏng [3,4], nhưng vẫn có
bị hấp phụ nhờ vào diện tích bề mặt riêng rất lớn, bản thân
những hạn chế nhất định trong ứng dụng thực tế khi sử
ACF vẫn không thể phân hủy các chất này [6].
dụng TiO2 dạng bột hoặc hạt nano như:
- Khó tách TiO2 khỏi môi trường phản ứng:
- Khó ứng dụng huyền phù TiO2 trong các quá trình liên
tục [5];
- Nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp khi các hạt bị phân tán;
- Khả năng hấp phụ kém với nhiều chất;
Các silicat lớp chức hóa bằng aminopropyl (gọi tắt là
aminoclay) là một trong những loại vật liệu “clay-
mimicking” (tạm dịch: “bắt chước đất sét” với những ưu
điểm: khả năng hấp phụ cao, khả năng phân tán tốt trong
nước và xếp chồng trong dung môi phân cực kém [12], nhiều
nhóm chức và kích thước hạt có thể kiểm soát được [13], sự
- Sự cần thiết của quá trình khuếch tán phân tử chất ô
hòa tan của aminoclay diễn ra ở một khoảng pH rộng [14].
nhiễm đến các vị trí hoạt động;
Aminoclay được mô tả có cấu trúc là các cation kim loại ở
- Sự tái tổ hợp của điện tử - lỗ trống cần được ngăn chặn để
trung tâm, bắt cặp (tỉ lệ 1 : 1 thành cấu trúc bát diện đôi)
Đại học Nguyễn Tất Thành
Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 12
2
hoặc xen kẽ với nhóm chức amino theo (tỉ lệ 2 : 1 thành cấu
trúc bát diện ba) bằng liên kết cộng hóa trị [13]. Magie
aminoclay (MgAC) đã được nghiên cứu để ứng dụng trong
xử lí chất ô nhiễm [15-18] và làm chất nền hoặc bản mẫu
cho sự phát triển của hạt nano [19].
Để khắc phục nhược điểm của mỗi loại vật liệu và xử lí triệt
để chất bị hấp phụ, TiO2 có thể kết hợp với các chất hấp
phụ như ACF hay aminoclay để phân hủy các chất dưới sự
giả tổng hợp và chứng minh có hiệu suất quang xúc tác
phân hủy cao đối với xanh methylen ở nồng độ 10 ppm
này, MgAC-TiO2/ACF được tổng hợp lại từ các vật liệu
được cung cấp tại Việt Nam thông qua phản ứng sol-gel
đơn giản và khả năng quang xúc tác phân hủy xanh
malachite của vật liệu được đánh giá ở các nồng độ xanh
malachite khác nhau.
TiO2/ACF được đánh giá. Thí nghiệm quang xúc tác phân
hủy xanh malachite (pH 6,5) được tiến hành trong điều
kiện khuấy liên tục với tốc độ 120 rpm, nhiệt độ khoảng
28 0C, bể phản ứng là đĩa petri thủy tinh (Ø150 mm × 20 mm)
chứa 100 mL dung dịch xanh malachite, mẫu vật liệu trong
mỗi phản ứng có kích thước 1 cm × 1 cm. Hệ thống được
chiếu tia cực tím có bước sóng 365 nm bằng đèn tia cực tím
HZT-1101B-1130B (Shenzhen Huazhitai Technology,
Trung Quốc). Trước khi chiếu xạ, mẫu vật liệu được ngâm
trong dung dịch xanh malachite đặt trong tối đến khi đạt
cân bằng hấp phụ. Dung dịch xanh malachite được thu mẫu
vào thời điểm đạt cân bằng hấp phụ và ở mỗi mốc 20 phút
khi chiếu tia cực tím. Sau thời gian chiếu xạ 120 phút, các
mẫu dung dịch xanh malachite được li tâm (10.000 rpm) để
loại bỏ cặn và đo độ hấp thụ tại bước sóng 618 nm bằng
máy đo quang phổ UV/VIS 736501 Genova Plus (Jenway,
Anh). Để loại trừ ảnh hưởng của sự hấp phụ xanh malachite
của ACF, thí nghiệm trong tối được tiến hành tương tự
nhưng không chiếu tia cực tím.
2 Vật liệu và phương pháp
Hiệu suất xử lí xanh malachite được dựa trên sự suy giảm
nồng độ của xanh malachite trong mẫu thể hiện bằng sự
thay đổi cường độ đỉnh hấp thụ quang cực đại tại bước sóng
618 nm. Hiệu suất xử lí xanh malachite tổng (Exl) được tính
theo công thức sau:
2.1 Vật liệu
Các hóa chất (3-Aminopropyl) triethoxysilane và
tetrabutyl titanate (Sigma-Aldrich, Mĩ), etanol (C2H5OH)
(Xilong, Trung Quốc), magie clorua ngậm nước
(MgCl26H2O) (Xilong, Trung Quốc), nước khử ion, vải
than hoạt tính (ACF) (COCO AC, Việt Nam), và xanh
malachite (Xilong, Trung Quốc) được dùng trong chế tạo
vật liệu và thí nghiệm kiểm tra hoạt tính quang xúc tác của
vật liệu được tạo thành.
0
퐸푥푙
=
퐶 −퐶 × 100 %
(1)
퐶
0
trong đó C0 và C lần lượt là nồng độ tại thời điểm bắt đầu
(thời điểm đạt cân bằng hấp phụ) và nồng độ tại thời điểm
kết thúc thí nghiệm.
Hiệu suất hấp phụ trong tối (Ehptt) của MgAC-TiO2/ACF
trong thí nghiệm được tính theo công thức sau:
2.2 Tổng hợp MgAC-TiO2/ACF
MgCl26H2O được hòa tan trong etanol 95 % v/v theo tỉ lệ
4,2 g MgCl26H2O trong 100 mL etanol. (3-Aminopropyl)
triethoxysilane được thêm vào dung dịch trên theo tỉ lệ 2,6
mL trong 100 mL dung dịch, khuấy liên tục trong 8 giờ.
Huyền phù tạo thành được li tâm để thu chất lắng, đem
0
chất lắng sấy khô ở nhiệt độ 40 C. Chất rắn màu trắng
0
퐸ℎ푝푡푡
=
퐶 −퐶 × 100 %
(2)
퐶
0
(MgAC) thu được sau khi sấy được nghiền mịn. Để tổng
hợp MgAC-TiO2/ACF, 0,75 g bột MgAC được hòa tan
trong 100 mL etanol 95 % v/v, sau đó 2,6 mL tetrabutyl
titanate được thêm vào. Huyền phù được khuấy đều trong
10 phút trước khi 50 µL nước khử ion được thêm vào và
khuấy liên tục trong 12 giờ để quá trình thủy phân và già
hóa xảy ra. Miếng sợi than hoạt tính (ACF) với kích thước
5 cm × 5 cm được ngâm trong gel tạo thành trong 5 phút,
lấy ra và để khô trong không khí, sau đó phủ MgAC-TiO2
một lần nữa. Miếng ACF sau khi phủ MgAC-TiO2 được
Hiệu suất quang xúc tác phân hủy xanh malachite (Ext) của
MgAC-TiO2/ACF được tính theo công thức sau:
퐸푥푡 = 퐸푥푙 − 퐸ℎ푝푡푡
(3)
trong đó Exl là hiệu suất xử lí tổng được tính theo công thức (1)
và Ehptt là hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức (2).
0
sấy ở nhiệt độ 60 C và nung trong không khí ở nhiệt độ
0
3 Kết quả và thảo luận
350 C trong 3 giờ trong lò nung ELF 11/6B (Carbolite
Gero, Anh).
Sau khi ngâm miếng ACF (5 cm × 5 cm) trong gel MgAC-TiO2
và nung trong không khí ở 350 C trong 3 giờ, khối lượng
MgAC-TiO2 cố định trên ACF (5 cm × 5 cm) là (50,2 ± 2,9) mg.
0
2.3 Đánh giá khả năng quang xúc tác phân hủy xanh
malachite của MgAC-TiO2/ACF
Hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite ở các
nồng độ 10 ppm, 12,5 ppm và 15 ppm của vật liệu MgAC-
Đại học Nguyễn Tất Thành
Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 12
3
Hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh malachite trong
nước của MgAC-TiO2/ACF được khảo sát bằng phương
pháp gián đoạn. Hình 1 thể hiện sự thay đổi nồng độ
tương đối của xanh malachite theo thời gian sau khi các
dung dịch đạt cân bằng hấp phụ. Nồng độ tương đối của
xanh malachite còn lại trong các dung dịch chứa mẫu
MgAC-TiO2/ACF sau 120 phút chiếu tia cực tím đều
thấp hơn so với các dung dịch chứa ACF và MgAC-
TiO2/ACF trong tối. Điều đó cho thấy MgAC-TiO2/ACF
thể hiện hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh
malachite ở các nồng độ 10 ppm, 12,5 ppm và 15 ppm.
Bằng việc thay đổi nồng độ xanh malachite ban đầu từ 10 ppm
đến 15 ppm khi lượng chất xúc tác không thay đổi, ảnh
hưởng của nồng độ ban đầu đến tốc độ quang xúc tác phân
hủy được xác định (Hình 1, Bảng 1). Ở nồng độ xanh
malachite thấp nhất (10 ppm), MgAC-TiO2/ACF thể hiện
hiệu suất xử lí tổng cao nhất (94,76 %) và hoạt tính quang
xúc tác cao nhất (27,36 %) sau 120 phút chiếu tia cực tím
(Bảng 1). Hiệu suất quang xúc tác bị ảnh hưởng nghịch bởi
nồng độ của chất nhuộm. Ảnh hưởng nghịch này có thể giải
thích như sau:
- Khi nồng độ chất nhuộm tăng, sự hấp phụ cân bằng của
thuốc nhuộm trên các vị trí hoạt động ở bề mặt chất xúc tác
tăng lên, sự hấp phụ H2O hoặc OH− trên cùng vị trí bị ảnh
hưởng, nghĩa là tốc độ hình thành gốc tự do cần thiết cho
quá trình phân hủy thấp hơn;
- Theo định luật Beer - Lambert, khi nồng độ ban đầu
của chất nhuộm tăng, độ dài đường đi của các photon
giảm, dẫn đến sự hấp phụ photon lên bề mặt chất xúc tác
kém hơn, hệ quả là tốc độ và hiệu suất quang xúc tác
phân hủy thấp hơn [20].
Hình 1 Sự thay đổi nồng độ tương đối của xanh malachite theo thời gian trong thí nghiệm đánh giá hoạt tính quang xúc tác
của MgAC-TiO2/ACF (kích cỡ mẫu 1 cm × 1 cm, pH = 6,5)
Bảng 1 Hiệu suất xử lí xanh malachite của ACF và MgAC-
TiO2/ACF trong tối và khi chiếu tia cực tím sau thời điểm cân
4 Kết luận
Nồng độ ban đầu của chất nhuộm có ảnh hưởng đến hiệu
suất quang xúc tác phân hủy xanh malachite của MgAC-
TiO2/ACF. Nồng độ xanh malachite có ảnh hưởng nghịch
đến hiệu suất quang xúc tác của MgAC-TiO2/ACF. Ở nồng
độ xanh malachite 10 ppm, MgAC-TiO2/ACF thể hiện hiệu
suất quang xúc tác cao nhất (27,36 %). Ở nồng độ xanh
malachite 15 ppm, MgAC-TiO2/ACF thể hiện hiệu suất
quang xúc tác thấp nhất (0,82 %).
bằng hấp phụ
Nồng độ xanh
Hiệu suất
quang xúc tác
phân hủy (%)
Hiệu suất xử
lí tổng (%)
Mẫu
malachite
(ppm)
10
25,69
48
16,4
94,76
54,12
73,36
_
_
_
ACF
12,5
15
10
12,5
15
27,36
5,34
0,82
MgAC-
TiO2/ACF
Lời cảm ơn
Nghiên cứu được tài trợ bởi Quĩ Phát triển Khoa học và
Công nghệ - Đại học Nguyễn Tất Thành, đề tài mã số
2020.01.013 /HĐ-NCKH.
Ghi chú: Hiệu suất xử lí tổng là hiệu suất hấp phụ đối với mẫu
ACF và là tổng hiệu suất hấp phụ và quang xúc tác phân hủy đối
với mẫu MgAC-TiO2/ACF
Đại học Nguyễn Tất Thành
Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 12
4
Tài liệu tham khảo
1. T.N. Nguyen, V.V. Tran, V.K.H. Bui, M. Kim, D. Park, J. Hur, I.T. Kim, H.U. Lee, S. Ko, Y.C. Lee, A novel
photocatalyst composite of magnesium aminoclay and TiO₂ immobilized into activated carbon fiber (ACF) matrix for
pollutant removal, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 20 (2020) 6844.
2. S. Yao, J. Li, Z. Shi, Immobilization of TiO2 nanoparticles on activated carbon fiber and its photodegradation
performance for organic pollutants, Particuology 8 (2010) 272.
3. B. Szczepanik, Photocatalytic degradation of organic contaminants over clay-TiO2 nanocomposites: A review, Applied
Clay Science 141 (2017) 227.
4. S.W. Verbruggen, TiO2 photocatalysis for the degradation of pollutants in gas phase: From morphological design to
plasmonic enhancement, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 24 (2015) 64.
5. A.K. Ray, Design, modelling and experimentation of a new large-scale photocatalytic reactor for water treatment.
Chemical Engineering Science 54 (1999) 3113.
6. S. Yao, S. Song, Z. Shi, Adsorptio'n properties and photocatalytic activity of TiO2/activated carbon fiber composite,
Russian Journal of Physical Chemistry A 88 (2014) 1066.
7. V.K.H. Bui, D. Park, V.V. Tran, G.W. Lee, S.Y. Oh, Y.S. Huh, Y.C. Lee, One-pot synthesis of magnesium aminoclay-
titanium dioxide nanocomposites for improved photocatalytic performance, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 18
(2018) 6070.
8. X. Shao, W. Lu, R. Zhang, F. Pan, Enhanced photocatalytic activity of TiO2-C hybrid aerogels for methylene blue
degradation. Scientific Reports 3 (2013) 3018.
9. P. Fu, Y. Luan, X. Dai, Preparation of activated carbon fibers supported TiO2 photocatalyst and evaluation of its
photocatalytic reactivity, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 221 (2004) 81.
10. J.-H. Liu, R.; Yang, S.-M. Li, Preparation and application of efficient TiO2/ACFs photocatalyst, Journal of
Environmental Sciences 18 (2006) 979.
11. J. Shi, J. Zheng, P. Wu, X. Ji, Immobilization of TiO2 films on activated carbon fiber and their photocatalytic
degradation properties for dye compounds with different molecular size, Catalysis Communications 9 (2008) 184.
12. K.K.R. Datta, A. Achari, M. Eswaramoorthy, Aminoclay: A functional layered material with multifaceted applications,
Journal of Materials Chemistry A 1 (2013) 6707.
13. Y.-C. Lee, E. Jin, S.W. Jung, Y.-M. ; S.W. Kim, K.S. Chang, J.-W. Yang, S.-W. Kim, Y.-O. Kim, H.-J Shin, Utilizing
the algicidal activity of aminoclay as a practical treatment for toxic red tides, Scientific Reports 3 (2013) 1292.
14. L. Yang, S.-K. Choi, H.-J. Shin, H.-K. Han, 3-Aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate as an organoclay
based drug carrier for improving the bioavailability of flurbiprofen, Int J Nanomedicine 8 (2013) 4147.
15. Y.-C. Lee, W.-K. Park, J.-W. Yang, Removal of anionic metals by amino-organoclay for water treatment, Journal of
Hazardous Materials 190 (2011) 65.
−
3−
16. Y.-C. Lee, E.J. Kim, H.-J Shin, M Choi, J.-W. Yang, Removal of F−, NO3 , and PO4 ions from aqueous solution by
aminoclays, Journal of Industrial and Engineering Chemistry 18 (2012) 871.
17. Y.C. Lee, E.J. Kim, J.W. Yang, H.J. Shin, Removal of malachite green by adsorption and precipitation using
aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate, J Hazard Mater 192 (2011) 62.
18. A.S.O. Moscofian, C.T.G.V.M.T. Pires, A.P. Vieira, C. Airoldi, Organofunctionalized magnesium phyllosilicates as
mono- or bifunctitonal entities for industrial dyes removal, RSC Advances 2 (2012) 3502.
19. Y.-C. Lee, H.U. Lee, K. Lee, B. Kim, S.Y. Lee, M.-H. Choi, W. Farooq, J.S. Choi, J.-Y. Park, Lee, J., et al. Aminoclay-
conjugated TiO2 synthesis for simultaneous harvesting and wet-disruption of Oleaginous chlorella sp., Chemical
Engineering Journal 245 (2014) 143.
20. C.C. Chen, C.S. Lu, Y.C. Chung, J.L. Jan, UV light induced photodegradation of malachite green on TiO2 nanoparticles,
J Hazard Mater 141 (2007) 520.
Đại học Nguyễn Tất Thành
Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 12
5
Evaluation of photocatalytic degradation activity of magnesium aminoclay-titanium dioxide
coated activated carbon fiber for malachite green
Nguyen Ngoc Thanh
NTT Hi-Tech Institute, Nguyen Tat Thanh University
Abstract Magnesium aminoclay-titanium dioxide coated activated carbon fiber (MgAC-TiO2) was synthesized and proven
to have photocatalytic degradation activity on 10 ppm methylene blue [1]. MgAC-TiO2/ACF in the present study was
synthesized again from (3-Aminopropyl) triethoxysilane, ethanol, hydrated magnesium chloride, tetrabutyl titanate and
activated carbon fiber (ACF) supplied in Viet Nam, then evaluated for the photocatalytic degradation activity on
malachite green at various concentrations. The photocatalytic degradation activities of MgAC-TiO2/ACF (size of 1 cm ×
1 cm) at 10 ppm, 12.5 ppm and 15 ppm malachite green were investigated by sampling the solutions after time intervals of
20 minutes since the systems of MgAC-TiO2/ACF in malachite green reached adsorption equilibrium and irradiated with
365 nm ultraviolet light. The decrease of malachite green concentration was expressed by the intensity change of absorbance
peak at 618 nm. MgAC-TiO2/ACF was proven to have photocatalytic degradation activity for malachite green under
ultraviolet irradiation of 365 nm. The photocatalytic efficiency was inversely affected by malachite green concentration. The
photocatalytic malachite green degradation efficiencies of MgAC-TiO2/ACF (1 cm × 1 cm) at concentrations of 10 ppm,
12.5 ppm and 15 ppm were 27.36 %, 5.34 % and 0.82 %, respectively.
Keywords aminoclay, malachite green, photocatalytic, titanium dioxide
Đại học Nguyễn Tất Thành
5 trang
10520
Free
Bạn đang xem tài liệu "Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy của sợi than hoạt tính phủ magie aminoclay-titan dioxit (MgAC-TiO₂/ACF) đối với xanh malachite", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- danh_gia_hoat_tinh_quang_xuc_tac_phan_huy_cua_soi_than_hoat.pdf
