Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g c3n4 làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước.doc

Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Tải tài liệu tại kết bạn zalo : 0973.287.149
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
--------------- o0o ----------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT HÓA HỌC
CHUYÊN SÂU : CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyền Hồng Liên
TS. Chu Thị Hải Nam
Sinh viên: Trần Thị Kiều Trinh
Mã số sinh viên: 20144646
Lớp: KTHH03
Khóa: 59

--------------- o0o ----------------
Đề tài : Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g-C3N4 làm
xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước
Giáo viên hướng dẫn Sinh viên: Trần Thị Kiều Trinh
PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên Số hiệu sinh viên: 20144647
TS. Chu Thị Hải Nam Lớp: KTHH03
Khóa: 59

------------------------
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ/TỔNG QUAN/NGHIÊN CỨU TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Trần Thị Kiều Trinh
Số hiệu sinh viên: 20144647
Lớp: KTHH03
Khóa:59
1. Nội dung thiết kế/tổng quan/nghiên cứu:
Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g-C3N4 làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi
trường nước
2. Các số liệu, dữ kiện ban đầu:
3. Nhiệm vụ thiết kế/tổng quan/nghiên cứu:
• Tổng hợp xúc tác g-C3N4
• Tách khối và biến tính g-C3N4
• Phân tích đặc trưng XRD, BET, EDS, TEM, UV-VIS DRS.

• Nghiên cứu họa tính xúc tác trong quá trình khử Cr(VI) và các yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu suất phản ứng (pH, lượng chất thu gom lỗ trống, lượng xúc tác) và khảo
sát độ bền hoạt tính của xúc tác.
4. Các bản vẽ, sơ đồ, sản phẩm cần đạt:
5. Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 29/1/2019
6. Ngày hoàn thành: Ngày 10/06/2019
Trưởng Bộ môn Cán bộ hướng dẫn
PGS.TS.Nguyễn Hồng Liên PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
TS. Chu Thị Hải Nam

Lời cảm ơn
Sau thời gian 5 năm học ở Bách Khoa và nghiên cứu cũng như tiến hành thực nghiệm tại
Phòng thí nghiệm Công nghệ Lọc hóa dầu và vật liệu xúc tác hấp phụ (PCM), em đã
hoàn thành đồ án tốt nghiệp kỹ sư với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g-C3N4
làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước”
Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự hướng dẫn hết sức nhiệt tình về cả lý
thuyết cũng như thực nghiệm nhằm nghiên cứu tổng hợp tăng hoạt tính xúc tác quang cho
g-C3N4 và tìm các điều kiện tối ưu cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước.
Trước tiên, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên, -
Trưởng bộ môn Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em về
phương hướng nghiên cứu, cách thức làm việc khoa học và tư duy suy luận logic và
những kiến thức. Em xin chân thành cảm ơn TS. Chu Thị Hải Nam vì những kiến thức
thực nghiệm, những phương pháp nghiên cứu đặc trưng, phương pháp phân tích, đánh giá
đáng quý mà chị đã chia sẻ giúp em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt nhất. Em xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Minh Thắng đã tạo điều kiện cho em được thực hiện
đo UV-VIS tại phòng thí nghiệm dự án Rohan và các anh chị trong phòng PCM đã tận
tình giúp đỡ, chỉ dẫn để em có được các kết quả nghiên cứu đặc trưng.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn ủng hộ
về mặt tinh thần cũng như vật chất trong suốt quãng thời gian 5 năm để em có thể hoàn
thành tốt nghiệm vụ của mình.
Tuy nhiên, với kinh nghiệm, kiến thức cũng như thời gian còn hạn chế, chắc chắn em sẽ
không thể tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô
giáo để đề tài đạt kết quả tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2019

Lời mở đầu
Ngành công nghiệp của Việt Nam ngày càng phát triển trong đó có khai khoáng, hóa chất,
gia công và chế biến kim loại, công nghiệp pin và ắc quy, công nghiệp thuộc da, công
nghiệp mạ điện, công nghiệp dệt nhuộm… Trong số đó, ngành công nghiệp thuộc da và
mạ điện thải ra một lượng lớn chrom vào môi trường bao gồm chrom kim loại, chrom(III),
chrom(VI). Trong số các dạng chrom này, đặc biệt nguy hiểm là chrom(VI) bởi nó gây
kích thích mắt , da và màng nhấy chỉ với nồng độ bé. Phơi nhiễm kinh niên trước các hợp
chất chrom có thể gây nên tổn thương mắt vĩnh viên, ngoài ra chrom còn được WHO
công nhận là tác nhân gây ung thư ở người, Không chỉ đối với con người, nồng độ chrom
hay kim loại nặng trong nước cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và môi
trường. Tổ chức y tế thế giới (WHO) khuyến cáo hàm lƣợng cho phép tối đa của crôm
(VI) trong nƣớc uống là 0,05 mg/ lít, trong khi nồng độ Cr(VI) trong nƣớc thải công
nghiệp luôn tồn tại ở ngưỡng hàng trăm mg/l. Do đó, xử lý crôm (VI) trong nước tới nồng
độ thấp nhất có thể là một vấn đề thiết thực đáng được quan tâm.
Trong quá trình nghiên cứ và ứng dụng trong xử lý môi trường, xúc tác quang là vật liệu được
quan tâm rất nhiều trên thế giới. Xúc tác quang có rất nhiều ưu điểm và đặc biệt là tận dụng
được nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời và cực kỳ thân thiện môi trường. Trong nhũng năm
gần đây, graphitic carbon nitride đã trở thành gương mặt tiêu biểu cho vật liệu bán dẫn vì
những ưu điểm nổi trội của nó, ví dụ như rất thân thiện môi trường, dễ dàng tổng hợp và rất
dồi dào phong phú trên Trái Đất. Vì những lý do đó, graphitic carbon nitride được nghiên cứu
ứng dụng trong việc xử lý Cr(VI) trong nước. Cùng với những ưu điểm nổi bật thì vật liệu
carbon nitride còn có những thách thức cho các nhà nghiên cứu, như là diện tích bề mặt riêng
bé, diện tích bề mặt không hoạt hóa cao, vùng ánh sáng hoạt động quang chưa rộng, động học
phản ứng diễn ra chậm,… Quá trình tách lớp và pha tạp carbon được kỳ vọng tạo ra một xúc
tác thế hệ mới với những nhược điểm được cải thiện, đưa xúc tác carbon nitride gần hơn ứng
dụng thực tế. Bên cạnh đó, một chất hữu cơ là acid citric

được thêm vào như là chất hi sinh cho quá trình khử để giúp cho hiệu quả quá trình quang
hóa cao hơn.
Trong đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu tổng hợp và biến tính xúc tác quang carbon
nitride để nâng cao hiệu quả xúc tác quang và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý ion
kim loại nặng Cr(VI) trên xúc tác đã được biến tính dưới điều kiện ánh sáng nhìn thấy.
Các phương pháp đặc trưng xúc tác TEM, SEM-EDS, XRD, BET, UV-VIS đã được thực
hiện để nghiên cứu tính chất của vật liệu.

Mục lục
Chương 1 Tổng quan ......................................................................................................... 1
1.1 Ứng dụng của các hợp chất crôm trong công nghiệp ............................................. 1
1.2 Ảnh hưởng của các hợp chất crôm đến sức khỏe con người và môi trường .......... 2
1.2.1 Độc tính của các hợp chất crôm đối với sức khỏe người ................................. 2
1.2.2 Độc tính của các hợp chất crôm đối với hệ sinh thái ....................................... 3
1.3 Hiện trạng phát thải Cr(VI) từ một số nhà máy tại Việt Nam ................................ 4
1.4 Các phương pháp xử lý chrome .............................................................................. 6
1.4.1 Phương pháp điện hóa ...................................................................................... 6
1.4.2 Phương pháp kết tủa ion ................................................................................... 6
1.4.3 Phương pháp hấp phụ ....................................................................................... 7
1.4.4 Phương pháp oxi hóa – khử ............................................................................. 8
1.4.5 Phương pháp keo tụ .......................................................................................... 8
1.4.6 Phương pháp cơ học ......................................................................................... 9
1.4.7 Phương pháp sinh học .................................................................................... 10
1.4.8 Phương pháp quang hóa ................................................................................. 10
1.5 Xúc tác quang g-C3N4 .......................................................................................... 11
1.5.1 Giới thiệu về xúc tác g-C3N4 ........................................................................ 11
1.5.2 Cấu trúc của C3N4 ......................................................................................... 12
1.5.3 Cơ chế phản ứng quang hóa của g-C3N4 ...................................................... 13
1.5.4 Ưu điểm và nhược điểm của g-C3N4 ............................................................ 16
1.5.5 Các hướng đi cải thiện những điểm hạn chế của g-C3N4 ............................. 18

1.5.6 Các phương pháp tổng hợp ............................................................................ 21
1.6 Quá trình khử Cr(VI) trên xúc tác quang g-C3N4 ................................................ 27
1.7 Định hướng cải thiện hoạt tính của xúc tác .......................................................... 32
Chương 2 Thực nghiệm .................................................................................................. 33
2.1 Hóa chất ................................................................................................................ 33
2.2 Tổng hợp xúc tác ................................................................................................... 33
2.3 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử Cr(VI) ...................................... 34
2.4 Khảo sát độ bền hoạt tính của xúc ........................................................................ 35
2.5 Phân tích xác đinh nồng độ Cr(VI) trong dung dịch............................................. 36
2.6 Các phương pháp đặc trưng vật liệu ..................................................................... 37
2.6.1 XRD ............................................................................................................... 37
2.6.2 Phương pháp tán sắc năng lượng tia X (EDS) ............................................... 40
2.6.3 Phương pháp phổ hấp thụ UV-VIS ................................................................ 41
2.6.4 BET ................................................................................................................ 43
2.6.5 TEM ............................................................................................................... 45
Chương 3 Kết quả và thảo luận ....................................................................................... 46
3.1 Hình ảnh ngoại quan. ............................................................................................ 46
3.2 Đặc trưng của xúc tác............................................................................................ 49
3.2.1 Thành phần pha – cấu trúc của vật liệu .......................................................... 49
3.2.2 Độ hấp thụ ánh sáng của xúc tác .................................................................... 50
3.2.3 Thành phần nguyên tố trong xúc tác .............................................................. 50
3.2.4 Đặc trưng diện tích bề mặt riêng vật liệu ....................................................... 52
3.2.5 Hình thái bề mặt của vật liệu.......................................................................... 52
3.3 Kết quả hoạt tính xúc tác trong quá trình khử Cr(VI) .......................................... 54

3.3.1 So sánh hoạt tính xúc tác trước (g-C3N4) và sau khi biến tính (PAA/C3N4)
54
3.3.2 Ảnh hưởng của pH đến quá trình khử Cr(VI) ................................................ 54
3.3.3 Ảnh hưởng của chất thu gom lỗ trống – acid citric ........................................ 56
3.3.4 Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến hiệu suất phản ứng .................................. 58
3.3.5 Độ bền xúc tác ................................................................................................ 60
Kết luận ............................................................................................................................... 61
Tài liệu tham khảo ................................................................................................................ 1

Danh mục hình
Hình 1-1Sơ đồ cấu tạo từ s-heptazin và tri-s-triazincủa g-C3N4[40] ..........................13
Hình 1-2 Cơ chế xúc tác quang [44].............................................................................14
Hình 1-3 Các thế oxy hóa khử của các phản ứng có liên quan đến vị trí VB và CB ước
tính của g-C3N4 ở pH 7 [44]........................................................................................18
Hình 1-4 Các cách tổng hợp g-C3N4[44] ....................................................................22
Hình 1-5 Phản ứng ngưng tụ tạo oligome, polimer từ cyanamide. ..............................23
Hình 1-6 Phản ứng hình thành g-C3N4........................................................................24
Hình 1-7 Tổng hợp g-C3N4 bằng chiếu xạ vi sóng .....................................................25
Hình 1-8 Mô tả các bước hình thành g-C3N4 từ cyanamide[90].................................27
Hình 1-9 Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn............................................28
Hình 1-10 Cơ chế quá trình khử CrVI bằng xúc tác quang..........................................29
Hình 1-11Cơ chế thu gom lỗ trống của acid citricLỗi! Thẻ đánh dấu không được xác
định.
Hình 2-1Mô hình hệ phản ứng thử hoạt tính xúc tác ..................................................................35
Hình 2-2 Sơ đồ hệ thống đo độ hấp thụ UV-Vis của dung dịch ; 1- Nguồn sáng; 2- Quang
phổ kế; 3- Phần mềm Avasoft trên máy tính; 4- Đầu dò mẫu phân tích ............................37
Hình 2-3Nguyên lý tính giá trị góc tới ..............................................................................................39
Hình 3-1 g-C3N4 trái - sau khi tổng hợp, phải - sau khi nghiền............................................46
Hình 3-2Độ hấp thụ ánh sáng của xúc tác g-C3N4 và PAA/C3N4......................................50
Hình 3-3Kết quả khảo sast XRD của g-C3N4 và PAA/C3N4................................................49
Hình 3-4 Kết quả khảo sát thành phần của g-C3N4....................................................................51
Hình 3-5 Kết quả khảo sát thành phần của PAA/g-C3N4 ........................................................51
Hình 3-6 Hình ảnh chụp TEM khối g-C3N4..................................................................................53
Hình 3-7 Hình ảnh chụp TEM PAA/C3N4.....................................................................................53
Hình 3-8 Độ chuyển hóa của Cr(VI) theo sự thay đổi của pH................................................55
Hình 3-9 Đồ thị sự thay đổi nồng độ của Cr(VI) khi có mặt acid citric với các tỷ lệ nồng
đọ khác nhau .................................................................................................................................................57

Hình 3-10 Sư thay đổi nồng độ của Cr(VI) theo sự thay đổi khối lượng xúc tácLỗi! Thẻ
đánh dấu không được xác định.
Hình 3-11 Hiệu suất của quá trình khảo sát với các khối lượng xúc tác khác nhauLỗi! Thẻ
đánh dấu không được xác định.
Hình 3-12Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ của Cr theo sự thay đổi khỏi lượng .. 59
Hình 3-13 Đồ thị sự thay đổi nồng độ Chrom trong dung dịch với nồng độ đầu lớnLỗi!
Thẻ đánh dấu không được xác định.
Hình 3-14 Đồ thị độ bền hoạt tính của xúc tác ..............................................................................60

Danh mục bảng
Bảng 1-1 Danh sách một số cơ sở mạ chromium tại Việt Nam ..........................................4
Bảng 1-2 Cấu trúc năng lượng của một số chất bán dẫn...................................................15
Bảng 1-3 Khả năng ô xhi hóa – khử của một số chất điển hình [52]................................15
Bảng 1-4 So sánh cấu trúc năng lượng của g-C3N4 với một số vaạt liệu khác................29
Bảng 3-1 Kết quả phân tích diện tích bề mặt riêng của vật liệu................................................... 52

Danh mục từ viết tắt
TEM
EDX
ABS
XRD
UV
PAA/C3N4
Scanning Electron Microscope (kính hiển vi điện tử quét)
Energy-dispersive X-ray spectroscopy (phổ tán sắc năng lượng tia X)
Absorption (hấp thụ)
X-ray diffraction (phổ nhiễu xạ tia X)
Ultraviolet (miền tử ngoại)
Xúc tác g-C3N4 sau biến tính.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Chương 1 Tổng quan
1.1 Ứng dụng của các hợp chất crôm trong công nghiệp
Crôm là một trong những kim loại được ứng dụng nhiều nhất trong thế kỷ 20. Crôm
được dùng trong sản xuất thép không gỉ, hợp kim, mạ Cr, chất màu, phẩm nhuộm, xúc
tác, thuộc da, vật liệu chịu lửa, băng từ và một số ngành công nghiệp khác.
Từ những năm đầu của thế kỷ 19, FeCr2O4 được dùng chủ yếu trong sản xuất hóa chất.
FeCr2O4 trở nên được ứng dụng rộng rãi trong luyện kim, các sản phẩm chịu nhiệt, thép
không gỉ và gạch chịu lửa. Gạch và các vật liệu sắc nhọn chịu nhiệt từ Cr rất hữu ích do nhiệt
độ hóa lỏng cao của Cr, giãn nở nhiệt ít và cấu trúc ổn định của tinh thể Cr. Thép crôm hiện
chưa có vật liệu thay thế khi kết hợp độ cứng ở nhiệt độ cao và ít bị mài mòn. Sức chống mài
mòn là một trong những điều kiện rất quan trọng cho các con lăn hay trong ngành công
nghiệp hàng không vũ trụ và trong công nghiệp sản xuất vật liệu cơ khí[1].
Bảng 1.1 dưới đây liệt kê một số ứng dụng phổ biến của các hợp chất crôm, nó cho
thấy tính ứng dụng thực tiễn cao của crôm và là nguyên nhân của sự có mặt crôm trong
nước thải của nhiều ngành công nghiệp.
Bảng 1-1 Một số ứng dụng của Chrome trong công nghiệp[2]
Công nghiệp mạ điện Chất chống trầy xước
Ắc quy nhiệt Pin điện hóa
Hợp chất sản xuất vật liệu chống trộm Băng từ
Hợp kim crôm Kim loại hoàn thiện
Xúc tác Kim loại mồi
Gốm Thuốc màu
Chất chống ăn mòn Phủ phosphate
Mũi khoan khoáng Cảm biến quang
Điện hóa Pháo hoa
Điện tử Vật liệu chịu nhiệt

1
SVTH: Trần Thị Kiều Trinh Tháng 6/2019

Chất làm nhũ tương
In ấn linh động
Thuốc diệt nấm
Chất hấp thụ khí
Thép siêu cứng
Thuộc da
Chất bảo quản vải dệt
In ấn và dệt nhuộm
Chất rửa mồi
Chất bảo quản gỗ
1.2 Ảnh hưởng của các hợp chất crôm đến sức khỏe con người và môi trường
Các hợp chất của crôm được coi là một trong những chất dinh dưỡng thiết yếu với cơ
thể người nhưng cũng gây nguy hại cho sức khỏe khi vượt quá liều lượng hoặc nó tồn tại
ở trạng thái oxy hóa không phù hợp. Crôm tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau
trong môi trường. Cụ thể, ở trạng thái oxy hóa +6 được xem là rất nguy hại ngay cả với
liều lượng nhỏ trong khi Cr(III) được coi là cần thiết với sức khỏe con người ở liều mức
vừa phải. Viện Quốc gia về an toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp của Mỹ (NIOSH) khuyến
cáo giới hạn phơi nhiễm đối với Cr(VI) là 1 mg/m3 và giới hạn phơi nhiễm đối với Cr(0)
và Cr(II) và Cr(III) là 500 mg/m3 đối với ngày làm việc 10 giờ, 1 tuần 40 giờ [3].
Nồng độ trung bình của crôm trong đất đai trên toàn thế giới khoảng 200 mg/kg[4].
Hoạt động của con người làm tăng lượng Cr trong môi trường (không khí, nước bề mặt,
nước ngầm, đất). Nguồn phát thải Cr lớn nhất do con người gây ra là mạ crôm, sản xuất
các mặt hàng từ crôm và tháp làm mát các hệ thống bay hơi[4]. Trong đó, đốt than và dầu
cũng làm thải ra một lượng lớn Cr (1700 tấn/ năm), nhưng chỉ khoảng 0.2% trong số đó là
Cr(VI)[5]. Khoảng 35% Cr được giải phóng từ các hoạt động của con người là là Cr(VI).
Cr nguyên tố và Cr(II) không bền, Cr(II) dễ bị oxy hóa thành Cr(III). Chỉ một lượng nhỏ
Cr(III) được sử dụng trong công nghiệp. Do đó, hầu hết các sự phát hiện đối với Cr trong
môi trường sẽ là Cr(III) và không cho Cr(VI) – dạng độc hại nhất của crôm [3].
1.2.1 Độc tính của các hợp chất crôm đối với sức khỏe người
Crôm ngấm vào cơ thể người qua con đường tiêu hóa thông qua tiêu thụ thực phẩm, đồ
uống có cồn và ăn phải các chất ô nhiễm đất. Một số khác có thể là do uống phải nguồn nước
bị ô nhiễm hoặc trong khi bơi lội hoặc tắm rửa. Trong tổng lượng Cr ăn vào, chỉ có 2
– 3% được hấp thụ bởi ruột - được tính ra từ trong nước tiểu. Nước dịch dạ dày làm giảm

2

Cr(VI) đến Cr(III) nhanh, một lượng nhỏ Cr(III) là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho cơ
thể[1]. Các quá trình khử hóa hoàn toàn 100% Cr(VI) được phát hiện sau khi ăn Cr(VI),
đây là lý do Cr(VI) không được xem là gây nguy hại sức khỏe ở liều lượng thấp nếu ăn
phải[6].
Nhiễm độc crôm có thể thông qua con đường tiếp xúc ngoài da. Công nhân trong các
nhà máy mạ Cr có thể sẽ trải qua một số mức độ phơi nhiễm da với Cr(VI) thông qua bụi
bặm bám trên da hay tiếp xúc với chất lỏng. Các hợp chất của Cr(VI) thường hòa tan
nhiều trong nước hơn các hợp chất Cr(III). Tuy vậy, sự thâm nhập vào da của Cr(III) và
Cr(VI) giống hệt nhau, và có sự khử Cr(VI) về Cr(III) khi hấp thụ [7].
Sự phát tán Cr trong không khí xảy ra dưới dạng hạt hoặc hòa tan trong nước mưa.
Nhờ vào áp suất hơi cân bằng rất thấp, Cr ở dạng hơi rất hiếm khi gặp phải. Trong sự tiếp
xúc crôm qua đường hô hấp, tác động của Cr(VI) khác hẳn với Cr(III). Cr(VI) gây ra sự
kích thích mũi còn Cr(III) thì không. Do dễ dàng hòa tan vào nước, Cr(VI) dễ dàng
chuyển vào máu từ các hạt trong phổi ít nhất gấp 3 lần so với Cr(III)[8]. Mặc dù 53 đến
85% Cr(VI) được phổi xóa sạch bởi sự hấp thụ vào máu hoặc niêm mạc trong cuống
họng, tuy vậy còn từ 15 đến 47% Cr(VI) còn lại trong phổi . Đây có thể là nguyên nhân
chính dẫn đến ung thư ở người [9].
1.2.2 Độc tính của các hợp chất crôm đối với hệ sinh thái
Vì tác động gây ung thư của crôm không có ý nghĩa quan trọng đối với hệ sinh thái
nên Cr(VI) không cần phải xem xét riêng. Bởi vậy, tổng lượng Cr thường được dùng để
ước lượng ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Crôm tồn tại trong sinh vật thủy sinh [10]
[10-12] bằng cách tích tụ trên các mô sinh vật với nồng độ nhất định (được định nghĩa là
tỷ lệ nồng độ trong mô khô đến nồng độ trong nước).
Trong hầu hết các sinh vật, Cr(VI) được khử thành Cr(III), dạng thường tìm thấy cho
các protein, enzyme và nucleotide [13]. Cũng thế, có vẻ như Cr(III) là một nguyên tố thiết
yếu không chỉ ở người mà còn trong các động vật có vú . Như vậy, tiếp xúc nồng độ Cr

3

thấp dưới bất kỳ hình thức nào là không gây ra những tác động tiêu cực đáng kể đối với
các loài sinh thái.
1.3 Hiện trạng phát thải Cr(VI) từ một số nhà máy tại Việt Nam
Tại Việt Nam, lượng Cr(VI) phát thải chủ yếu qua các nhà máy mạ crôm, nhà máy sản
xuất thép. Có rất nhiều cơ sở, nhà máy mạ crôm tại Việt Nam, tập trung chủ yếu tại các
thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương… Bảng 1.2 dưới đây
liệt kê một số cơ sở mạ crôm tiêu biểu tại các thành phố lớn. Ngoài ra, còn rất nhiều các
công ty mạ crôm khác tại nhiều địa điểm khác nhau do nhu cầu, ứng dụng của các vật liệu
mạ crôm là rất lớn. Bên cạnh đó, còn có nhiều cơ sở tư nhân nhỏ lẻ, các phân xưởng sơn
tĩnh điện cũng chứa nhiều crôm trong nước thải.
Bảng 1-2 Danh sách một số cơ sở mạ chromium tại Việt Nam
STT Tên cơ sở Địa chỉ
Công Ty Cổ Phần Đầu Tư Và Phát Triển 8/1 Phan Huy ích, Phường 15, Q. Tân
1 Vĩnh Tài Bình, Tp. Hồ Chí Minh
Công Ty TNHH VP Components Việt Lô 104/2-1, Đường Số 2, KCN
2 Nam Amata, P. Long Bình, Tp. Biên
Hòa, Đồng Nai
3 Công Ty TNHH Phan Sinh 42 Khu Phố 2, Đình Phong Phú, P.
Tăng Nhơn Phú B, Q. 9, Tp. Hồ Chí
Minh
4 Công Ty TNHH Ngũ Kim An Phúc Lô A1, KCN Đất Cuốc, Khu B, X.Đất
Cuốc, H.Bắc Tân Uyên, Bình Dương
5 Công Ty TNHH Bu Sung Vina Lô E5-2 & E7, KCN Minh Hưng -
Hàn Quốc, H. Chơn Thành, Bình
Phước
Công Ty TNHH Công Nghệ Hsieh Khu Công Nghiệp Khai Quang,
6 Yuan Việt Nam Tp.Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc
Công Ty TNHH Công Nghệ Hóa Chất Thôn Lâm Trường, X. Minh Phú, H.
7 Minh Phú Sóc Sơn, Hà Nội

4

Công Ty Cổ Phần Phát Triển Công Số 129, Ngõ 40, Tổ Dân Phố 4 Miêu
8 Nghệ Quang Vinh Nha, P. Tây Mỗ, Q. Nam Từ Liêm, Hà
Nội
9 Công Ty Cổ Phần Anotech Lô E, Đường Số 2, KCN Đồng An, P.
Bình Hòa, TX. Thuận An, Bình
Dương
10 Công Ty TNHH Nam Thâu 169 Đường Số 11, P. Trường Thọ, Q.
Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh
11 Xi Mạ Điện Giải Phạm Minh 9/4, Ấp 2, Đ. Võ Văn Vân, Vĩnh Lộc
B, H. Bình Chánh, Tp. Hồ Chí Minh
Công Ty TNHH MTV Thương Mại Tổ 7, Ấp Tân Thành, Xã Bắc Sơn, H.
12 Dịch Vụ Nhật Phát Tuấn Trảng Bom, Đồng Nai
13 Công Ty CP Công nghiệp Đồng Tâm Xóm 5,xã Cổ Nhuế,huyện Từ Liêm,
Hà Nội
Dung dịch mạ Cr(VI) là một hỗn hợp của CrO3 và H2SO4, tỷ lệ dao động lớn từ 75:1 đến
250:1 theo trọng lượng. Điều này cho thấy, dung dịch mạ Cr(VI) là một dung dịch có tính
axit cao (pH 0). Nồng độ Cr(VI) trong bồn mạ điện khoảng 28 – 32 ounces trên một
gallon, quy đổi ra đơn vị SI là khoảng 209 – 309 gam/l [14].
Sau quá trình mạ, lượng crôm bị mất đi do bám dính lên kim loại sẽ được bổ sung bằng
một lượng mới và một lượng dung dịch mạ cũ sẽ bị thải ra. Nồng độ Cr(VI) trong nước
thải sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ Cr(VI) trong bồn mạ nhưng vẫn còn rất lớn.
Theo QCVN 39:2011/BTNMT về quy định nồng độ Cr(VI) trong nước thủy lợi không
được vượt quá 0.01 mg/l.
Ngoài các nhà máy mạ Cr(VI), các nhà máy sản xuất thép cũng cần crôm để cải thiện tính
chất của thép. Tại Việt Nam hiện nay có nhiều nhà máy đang hoạt động với công suất lớn
như nhà máy gang thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Vũng Áng, Hà Tĩnh, công ty cổ phần
tập đoàn Hòa Phát, công ty TNHH thép Pomina… Nồng độ và lượng phát thải crôm tùy
thuộc vào công nghệ và năng suất của mỗi nhà máy, phân xưởng. Tuy vậy, với công

5

suất có thể lên đến hàng chục triệu tấn mỗi năm, lượng crôm phát thải ra môi trường là
không hề nhỏ và chúng cần được xử lý trước khi thải bỏ ra môi trường.
1.4 Các phương pháp xử lý chrome
1.4.1 Phương pháp điện hóa
Trong quá trình oxi hóa điện hóa, các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, khó phân hủy trong
nước thải có thể phân rã hoàn toàn thành CO2, NH3, các ion vô cơ và nước, hoặc thành
các hợp chất đơn giản hơn không độc hoặc ít độc hơn, dễ bị phân hủy sinh học hơn. Anốt
thường là các vật liệu không hòa tan điện hóa (điện cực thụ động), thông thường là điện
cực titan được phủ một lớp kim loại rất mỏng các kim loại quý như ruteni, rodi, platin,
iridi, oxit chì, thiếc… và thùng điện phân có thể có hoặc không có màng ngăn [2].
Trong quá trình này, các ion kim loại nặng bị khử về kim loại và được lọc tách bằng
các phương pháp cơ học:
Cr2O7
2-
+ 14H+
+ 7e-
→ 2Cr3+
+ 7H2O
Cr3+
+ 3e-
→ Cr
Một số ion kim loại nặng có thể khử bằng phương pháp này như Hg2+
, Cu2+
, Cd2+
…
Phương pháp điện hóa cho phép loại bỏ ra khỏi nước thải các ion Cr3+
, Ni2+
, Cu2+
,…
Công nghệ xử lý đơn giản, dễ cơ giới hóa và tự động hóa, không phải bổ sung thêm hóa
chất, nhưng lại chỉ thích hợp với nước thải đưa vào xử lý với nồng độ ion kim loại cao
(nồng độ các ion > 1g/l). Tuy hiệu suất xử lý đạt 90 ÷ 95% song nước thải sau khi xử lý
vẫn có nồng độ ion kim loại cao (≥ 0,5mg/l) chưa đạt tiêu chuẩn chất lượng thải ra nguồn
nước chung, đồng thời chi phí điện năng lớn nên phương pháp này chỉ dùng để tách sơ bộ
các ion kim loại.
1.4.2 Phương pháp kết tủa ion
Phương pháp này sử dụng sự kết tủa của các ion trong dung dịch nhờ phản ứng hóa học
của nó. Sau khi kết tủa, các chất được lắng tách, ly tâm để tách ra khỏi nước thải:
Cu2+
+ 2OH-
→ Cu(OH)2 (1.37)

6

Ni2+ + 2OH- → Ni(OH)2 (1.38)
Phương pháp này thay thế một hoặc một vài loại ion trong dung dịch bằng một loại
ion khác. Trao đổi ion có thể được ứng dụng trong quá trình bảo vệ môi trường như lọc,
khử trùng, tái chế hoặc thậm chí cho việc thiết kế các quy trình sản xuất thân thiện với
môi trường mới [1].
1.4.3 Phương pháp hấp phụ
Vật liệu được sử dụng ở đây có nguồn gốc sinh khối (biomass), cơ chế của quá trình hấp
phụ có thể phân thành hai loại: hấp phụ do tương tác tĩnh điện và hấp phụ nội tại.
Tương tác tĩnh điện: có thể quan sát được từ quá trình hấp phụ các cation kim loại và
các anion trên bề mặt chất hấp phụ. Đối với trường hợp xử lý nước thải chứa nhiều ion
Cr(VI), ở độ pH thấp chúng thường tồn tại trong dung dịch dưới dạng HCrO4
-
. Khi đó,
nếu bề mặt chất hấp phụ tích điện dương chúng sẽ bị hấp dẫn tĩnh điện và bị khử về
Cr(III) theo phương trình:
HCrO4
-
+ 7H+
+ 3e-
= Cr3+
+ 4H2O
Hấp phụ nội tại là quá trình tương tác bề mặt. Quá trình hấp phụ các ion kim loại lên bề
mặt đều chịu tác động của các tính chất bề mặt của vật liệu hấp phụ như bề mặt riêng, độ
rỗng, phân bố lỗ xốp… và sự phân cực. Các chất hấp phụ có nguồn gốc biomass thường chứa
xellulôzơ tạo ra bởi các phần tử lặp β-D glucose là thành phần chính của thành tế bào. Nhóm
hydroxyl phân cực trên xellulôzơ có khả năng liên kết với ion crôm trong dung dịch. Ngoài
ra, trong thành phần của một số thực vật còn có chứa rất nhiều hợp chất hữu cơ, vô cơ khác
như hemicellulose, pectins, lignin, chlorophenyl, carotene, anthocyanyn và tanin cũng có khả
năng hấp phụ ion kim loại. Các loại vật liệu hấp phụ thường được dùng là bột xơ dừa (BXD),
vỏ cây bạch đàn (VBD) và than hoạt tính từ gáo dừa (THT).
Đây là một phương pháp hay và có khả năng áp dụng với những ưu điểm như: dung
lượng hấp phụ của nó có thể đạt 181.81 mg/g chất hấp phụ. pH tốt nhất để hấp phụ ion
Cr(VI) là 2, hiệu suất hấp phụ cực đại (99.99%) đạt được sau thời gian tiếp xúc 18 giờ, có

7

thể loại bỏ khoảng 80% Cr(VI) trong nước thải, thời gian tiếp xúc khoảng 5 phút. Tuy
nhiên phương pháp này chỉ chuyển Cr (VI) từ dạng này (trong nước thải) sang dạng khác
(trong vật liệu hấp phụ) mà chưa thể khử hóa về dạng Cr (III) không mang độc tính [1].
1.4.4 Phương pháp oxi hóa – khử
Oxy hóa – khử là phản ứng cho và nhận electron. Sự khử là phản ứng ngược với sự oxi hóa
và oxy hóa khử là hai quá trình của hai phản ứng. Nếu 1 chất oxy hóa thì chất kia sẽ là chất
khử. Một chất có khả năng làm mất electron của chất khác càng mạnh thì khả năng oxy hóa
càng cao. Một số tác nhân oxy hóa như Cl2, O2… và chất khử như Na2SO3, FeSO4…[15]
Việc xử lý Cr(VI) trong nước thải bằng phương pháp oxy hóa khử không giống với
các ion kim loại khác, Cr(VI) không tạo ra các hidroxit kết tủa được thể hiện ở phương
trình dưới:
H2Cr2O7 + 2OH-
→ H2CrO4 + H2O (1.40)
Không tạo thành kết tủa vì vậy mà Cr(VI) được khử bằng oxit sắt từ thành Cr(III).
Sau đó được thêm vào các chất bazơ để tạo thành hydroxyt kết tủa và được tách ra.
H2CrO4 + 6Fe3O4 + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 8H2O (1.41)
Cr2(SO4)3 + NaOH → 2Cr(OH)3↓ + 3 Na2SO4 (1.42)
1.4.5 Phương pháp keo tụ
Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích
thước các hạt thường dao động từ 0,1 ÷ 10 micromet. Các hạt này không nổi cũng không
lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể
tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc,
các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực
này có thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va
chạm. Sự va chạm xảy ra nhờ chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên
trong trường hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề
mặt các hạt mang điện tích, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ

8

sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa. Trạng
thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền
của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình
keo tụ [3].
Quá trình keo tụ được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại trong mẫu nước thải bằng
cách kết tủa ở một pH thích hợp.
Crôm(VI) tồn tại trong nước thải thường ở dạng anion Cr2O7
2-
, rất khó để tách bằng
phương pháp keo tụ đơn giản. Oxy hóa khử kết hợp với keo tụ là phương pháp kết hợp
hiệu quả để loại bỏ Cr(VI) trong nước thải. Đầu tiên bằng các tác nhân oxy hóa khử khác
nhau, crôm dạng anion được chuyển về dạng cation theo phương trình:
Cr2O7
2-
+ 6e-
+ 14H+
→ 2Cr3+
+ 7H2O
Crôm ở dạng Cr3+
có tính chất lưỡng tính gần giống với nhôm Al3+
và dễ dàng tạo
kết tủa hydroxit ở môi trường pH thích hợp từ 8.5 đến 9.
Cr3+
+ 3H2O → Cr(OH)3 ↓ + 3H+
Tuy nhiên phương pháp này không cho phép loại bỏ được hết Cr(VI), chỉ đưa được
nồng độ Cr(VI) từ hàng trăm ppm về dưới 10ppm [16]. Tuy nhiên nồng độ cho phép của
.Cr(VI) trong nước thải phải dưới 0.05ppm. Do đó nồng độ crôm(VI) trong nước thải đã
xử lý vẫn còn cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép và thường phải dùng phương
pháp khác để chuyển crôm từ dạng anion thành cation.
1.4.6 Phương pháp cơ học
Phương pháp này nhằm loại bỏ các tạp chất không tan ra khỏi nước thải. Tùy thuộc vào
tính chất và mức độ làm sạch các tạp chất, người ta có thể dùng một số phương pháp như
điều hòa lưu lượng, quá trình lắng, quá trình tách bằng màng.
❖
Điều hòa lưu lượng: là phương pháp đơn giản nhưng quan trọng để phụ giúp cho các
quá trình khác đạt hiệu quả cao.

9

❖
Quá trình lắng: quá trình này thực hiện sau khi khử các ion kim loại nặng và trung
hòa tạo kết tủa. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực. Phương pháp
này được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên đây chỉ là một giai đoạn phụ trong quá trình xử
lý nước thải chứ không quyết định được tính khử độc hay loại bỏ các chất độc.
❖
Quá trình tách bằng màng: màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách
giữa các pha khác nhau. Đó có thể là chất rắn hoặc gel trương nở do dung môi, hoặc
thậm chí là một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất phụ thuộc vào độ
thấm qua của các hợp chất đó qua màng. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi
trong xử lý nước thải mạ điện. Nhưng quá trình diễn ra phức tạp, giá thành cao, phát
sinh hiện tượng phân cực nồng độ, giảm năng suất… Hiện nay chỉ được áp dụng tại
các nước phát triển [3].
1.4.7 Phương pháp sinh học
Phương pháp này đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và
chuyên gia trên thế giới. Các tác giả đã dùng thực vật vi sinh như bèo Nhật Bản, bèo tổ ong,
tảo, các vi sinh vật yếm khí… để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải. Những sinh vật
này đã sử dụng các kim loại nặng như một nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển.
Đây là một phương pháp đã được áp dụng vào thực tế để xử lý nước thải. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp là quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật nói chung phức
tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, vì vậy phải mất thời gian đủ lớn mới có thể triển khai vào
thực tế. Quá trình khử lâu dẫn đến thời gian khử kéo dài, nước thải dồn vào bể liên tục, dẫn
đến hàm lượng kim loại nặng trong phần nước thải đang xử lý lại tăng lên [17].
1.4.8 Phương pháp quang hóa
Phương pháp này sử dụng một chất xúc tác có tính quang hóa để phản ứng với Cr(VI) nhằm
khử về dạng ít độc hại hơn 100 lần, đó là dạng Cr(III). Phản ứng được thực hiện trong môi
trường ánh sáng UV hoặc ánh sáng nhìn thấy, nó có tác dụng kích thích electron của xúc tác
ra khỏi vùng bán dẫn, đi vào ion Cr(VI) để khử về Cr(III). Phương pháp quang hóa gần đây
được nghiên cứu rất nhiều nhờ những ưu điểm của nó như hiệu suất khử cao, đơn giản

10

trong khâu phản ứng chuyển hóa và rẻ tiền, có ứng dụng thực tế. Phương pháp này có thể
ứng dụng để xử lý nước thải có hàm lượng Cr(VI) ở mức thấp.
HIện nay carbon nitride là chất bán dẫn rất tiềm năng để ứng dụng vào việc xử lý nước
thải chứa CrVI do giá thành rẻ, dễ tổng hợp và rất thân thiện với môi trường. Đặc biệt
hơn, carbon nitride là chất bán dẫn có thể làm việc tại điều kiện ánh sáng mặt trời.
1.5 Xúc tác quang g-C3N4
1.5.1 Giới thiệu về xúc tác g-C3N4
Như một chất tương tự graphit, graphitc carbon nitride (g-C3N4) đã trở thành điểm nóng
trong ngành khoa học vật liệu nhờ cấu trúc electron đặc biệt của nó. Với năng lượng vùng
cấm trrung bình cũng như khả năng ổn định nhiệt, ổn định hóa học, g-C3N4 đã trở thành
một trong số những vật liệu xúc tác quang hứa hẹn nhất. Rất nhiều nghiên cứu chuyên sâu
đã được triển khia trên khả năng quang hóa cùa g-C3N4 với nhiều phản ứng khác nhau.
Những nghiên cứu chuyên sâu hơn về vật liệu carbon nitride ngày càng phát triển từ khi
Liu và Cohen dự đoán rằng carbon nitride có tiềm năng trở thành siêu vật liệu ( tạm dịch
ultrahard material) [18] Với rất nhiều đặc tính hấp dẫn như là ốn định hóa học và bền
nhiệt, rất cứng, tỷ trọng nhỏ, không bị ăn mòn, không thấm nước, carbon nitride đang dần
trở thành một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho thiết bị phát quang hay xúc tác
quang, … [19, 20] Tính ổn định hóa học của g-C3N4 được phát hiện bởi Gillan, nghiên
cứu đã chỉ ra rằng g-C3N4 hầu như không tan trong nước, etanol, toluene, diethyl ether và
THF[21], đây có thể là do lực Van dẻ Waals giữa các lớp chồng lên nhau [22].
Graphit carbon nitride là chất bán dẫn polymer không chứa kim loại, sở hữu nhiều đặc
tính hứa hẹn khiến cho g-C3N4 trở thành một tầng cao mới của nền tảng nano đa chức
năng cho ứng dụng điện, xúc tác, năng lượng [23]. Đặc biệt g-C3N4 dưới dạng xúc tác
quang, đã trở nên rất hấp dẫn từ khi Wang và đồng nghiệp phát hiện ra khả năng phân
tách H2 và O2 từ nước năm 2009 [24]. Do đó g-C3N4 đã trở thành ứng viên lý tưởng cho
hàng loạt ứng dụng về năng lượng và xúc tác quang mang tính môi trường như phăn ứng
phân tách nước, phân hủy các chất ô nhiễm và phăn ứng khử CO2.

11

Như là một chất bán dẫn phi kim loại, g-C3N4 lại khá khác so với các chất bán dẫn khác,
khi mà nó có thể dần được ứng dụng để hình thành những xúc tác lai hóa mới với thành
phần, kích thước, độ dày, kích thước mao quản và hình thái thích hợp. Do vậy g-C3N4 rất
được quan tâm để phát triển như là xúc tác quang với nhiều ứng dụng khác nhau thông
qua nhiều cách biến tính khác nhau.
1.5.2 Cấu trúc của C3N4
Như đã nói, g-C3N4 được biết đến là có cấu trúc lớp như graphit, và cũng được chứng
minh bằng các kết quả XRD trong các nghiên cứu [25, 26] Trong cùng một đơn lớp của
g-C3N4, cả triazin và tri-s-triazin hay s-heptazin ban đầu đều được cho là đơn vị cấu
tạo[27-43]. Tuy nhiên sau đó, chỉ tri-s-triazin được coi như là đơn vị cấu trúc do sự ổn
định cao của nó.

12

Hình 1-1Sơ đồ cấu tạo từ s-heptazin và tri-s-triazincủa g-C3N4[40]
1.5.3 Cơ chế phản ứng quang hóa của g-C3N4
Cơ chế của g-C3N4 được thể hiện ở hình 1-2. Về cơ bản, phản ứng quang hóa bao gồm 7 giai
đoạn chính, có thể chia thành 4 quá trình: Giai đoạn 1: Thu nhận ánh sáng, Giai đoạn 2:
Electron bị kích thích, giai đoạn 3,4,5: Electron và photon di chuyển, giai đoạn 7: Phản ứng
quang hóa trên bề mặt xảy ra do electron khử còn photon oxi hóa. Thông thường, một
electron ở vùng hóa trị có thể nhận ánh sáng và được kích thích nhảy lên vùng dẫn với bước
sóng ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm vả giải phóng lỗ

13

trống quang sinh trong vùng hóa trị. Cấu trúc năng lượng vùng cấm của một số xúc tác
quang điển hình được đưa ra trong bảng sau.
Hình 1-2 Cơ chế xúc tác quang [44]
Chất bán dẫn Cấu trúc tinh thể Cấu trúc năng lượng Tham khảo
CB VB Eg/eV
TiO2 Anatase -0.5 2.7 3.2 [45]
Cu2O -1.16 0.85 2.0 [46]
CdS -0.9 1.5 2.4 [47]
g-C3N4 -1.3 1.4 2.7 [48]
g-C3N4 -1.53 1.16 2.7 [48]
Ta3N5 -0.75 1.35 2.1 [48]

14

TaON -0.75 1.75 2.5 [49]
BiVO4 -0.3 2.1 2.4 [49]
WO3 -0.1 2.7 2.8 [50]
Ag3PO4 cubic 0.04 2.49 2.45 [51]
Bảng 1-3 Cấu trúc năng lượng của một số chất bán dẫn
Bảng 1-4 Khả năng ô xhi hóa – khử của một số chất điển hình [52]
Theo bảng 1-2, so sánh với TiO2 và WO3, g-C3N4 có vùng hóa trị rất thấp -1.3V với pH =7
và năng lượng vùng cấm mức trung bình (2.7 eV), điều này cho phép carbon nitride có ứng
dụng lớn trong xúc tác quang với ánh sáng miền nhìn thấy. Tuy nhiên để có thể ứng dụng tốt
hơn trong miền nhìn thấy, năng lượng vùng cấm của carbon nitride cần được làm giảm thấp
xuống bằng việc doping hoặc các cách khác…Thêm vào đó, sự tái tổ hợp electron và lỗ trống
quang sinh trong khối g-C3N4 trên bề mặt gây bất lợi cho việc di chuyển electron và photon
đến bề mặt hay tâm hoạt động bên trong của xúc tác ( giai đoạn 3), điều này được

15

xem là yếu tố quyết định đến hiệu quả của xúc tác. Chỉ có electron và photon đủ năng lượng
để đi lên bề mặt của xúc tác mà không bị tái tổ hợp mới có thể thực hiện phản ứng oxi hóa
– khử, đồng thời với đó là chất khử và chất oxi hóa phải có E0 nhỏ hơn hoặc lớn hơn nức
CB và VB của xúc tác. Theo bảng 1-3, có thể thấy một số phản ứng điển hình tại pH=7.
Để nâng cao hiệu suất xúc tác quang của g-C3N4, các giai đoạn trong 4 quá trình đều cần
được củng cố và tối ưu.
1.5.4 Ưu điểm và nhược điểm của g-C3N4
Dựa trên cơ chế phản ứng, có thể thấy rằng năng lượng vùng cấm và cấu trúc nano ảnh
hưởng rất nhiều đến hiệu suất phản ứng. g-C3N4 có năng lượng vùng cấm mức trung bình
2.7 eV, tương đương với bước sóng ánh sáng 460nm, điều này khiến cho carbon nitride
hoạt động ở ánh sáng nhìn thấy. Quan trọng hơn, g-C3N4 còn có vị trí vùng dẫn thích hợp
cho nhiều phản ứng khử. Từ hình 1.2.3-1 thấy, vị trí vùng dẫn của g-C3N4 bé hơn so với
các chất bán dẫn vô cơ khác cho biết rằng electron sinh ra từ g-C3N4 có nhiệt động lực
học lớn, thúc đẩy sự khử rất nhiều những phân tử bé, ví dụ H2, CO2, O2. Vì vậy, năng
lượng vùng cấm của carbon nitride rất phù hợp để ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như
là phân tách nước, khử CO2, phân hủy chất ô nhiễm, tổng hợp hữu cơ, …
Ngoài việc g-C3N4 có một mức năng lượng vùng cấm rất thích hợp, nó còn được biết đến vì
g-C3N4 là vật chất hữu cơ phi kim loại có cấu trúc 2D gồm các lớp C và N xếp chồng lên
nhau, ràng buộc bởi lực Van der Waals. g-C3N4 chỉ bao gồm 2 nguyên tố có rất nhiều trên
Trái Đất là C và N, với tỷ lệ C/N xấp xỉ ¾, điều đó có nghĩa là carbon nitride dễ dàng được
tổng hợp với mức chi phí rất thấp. Đã có nghiên cứu chỉ ra rằng, g-C3N4 có khả năng tương
thích sinh học và không hề độc hại với sinh vật cũng như môi trường. Các tế bào Hela có thể
hoạt động và duy trì trong dung dịch nước của g-C3N4 nanosheets với nồng độ lên tới
600mg/ml[53]. Hơn thế nữa, g-C3N4 có thể được tổng hợp dễ dàng thông qua các phương
thức ngưng tụ nhiệt của một số hợp chất hữu cơ chứa Ni-tơ giá rẻ ví dụ ure, thiure, melamine,
dicyandiamide,cyanamide, và guanidine hydrochlorid,… ở khoảng 500-600o
C trong không
khí hoặc khí trơ [54]. g-C3N4 có thể được tổng hợp bằng cách rất nhiều phương

16

pháp bao gồm thủy nhiệt sử dụn chất lỏng ion(ionothermal synthesis)[55], phân tử tự
ngưng tụ(Molecular self-asembly)[56], chiếu xạ vi sóng(Microwave irradiation)[57], chất
lỏng ion(Ionic liquid)[58].
Thêm vào đó, ngoài những lợi thế trên là một số những ưu điểm khác như là không hề
độc hại, dồi dào, ổn định tốt, … Tất cả những điểm đó đưa g-C3N4 đến một cơ hội ứng
dụng lớn cũng như cho phép nó được sử dụng trực tiếp cho ngành công nghiệp hóa học
như là một xúc tác dị thể đa chức năng và phi kim loại.
Điều đáng tiếc là bulk g-C3N4 lại cho hiệu quả quang hóa chưa cao, bởi vì một vài nhược
điểm khá lớn của nó. Cụ thể, một số thách thức đối với vật liệu carbon nitride có thể nêu
ra như sau: tốc độ tái tổ hợp của electron và lỗ trống cao, vùng ánh sáng nhìn thấy hấp thụ
còn bé ( dưới 460nm), diện tích bề mặt bé (10m2/g), diện tích bề mặt bên trong không có
hoạt tính lớn, động học phản ứng bề mặt bé, khả năng oxi hóa không cao, … [59]

17

Hình 1-3 Các thế oxy hóa khử của các phản ứng có liên quan đến vị trí VB và CB
ước tính của g-C3N4 ở pH 7 [44]
1.5.5 Các hướng đi cải thiện những điểm hạn chế của g-C3N4
Để tận dụng những ưu điểm của g-C3N4, việc tối ưu hóa vật liệu để đạt được hoạt tính
quang hóa là rất quang trọng. g-C3N4 với hoạt tính cao phụ thuộc rất nhiều và kích thước,
hình thái học, diện tích bề mặt, tâm hoạt tính và cẩ miền hấp thụ ánh sáng[60]. Một vài
chiến lược để nâng cao hoạt tính của g-C3N4 đã được đưa ra như sau:
- Tổng hợp vật liệu g-C3N4 mao quản trung bình và trật tự [27-43]
- Tổng hợp vật liệu g-C3N4 kiểm soát được về mặt kết cấu cũng như hình thái [35,
61-70]
- Đưa các nguyên tố phi kim lên vật liệu ví dụ như B, S, P, F,… [35, 61-70]
- Gắn các đồng xúc tác lên ( đặc biệt là các nguyên tố kim loại quý như bạc,
vàng,…) [35, 61-70]
- Tổng hợp vật liệu tổng hợp với các kim loại chuyển tiếp hoặc oxit của các kim loại
đó[35, 61-85].

18

• Pha tạp nguyên tốc phi kim hoặc kim loại lên g-C3N4
Việc pha tạp phi kim như là S [77, 86], P [77, 86-91], B , O, C, và I có thể thu hẹp lại
năng lượng vùng cấm của g-C3N4 và củng cố khả năng thu nhận ánh sáng nhìn thấy
của xúc tác. Nhìn chung, việc pha tạp thêm chính nguyên tố C có thể thay thế cầu
nguyên tử N , trong khi đó pha tạp thêm O, S, I có thể thay thế được N trong vòng
thơm.
Hình 1-4 Schottlky junction- Sơ đồ mô tả cấu trúc lại năng lượng
vùng cấm của việc pha tạp thêm phi kim hoặc lắng đọng kim loại
trên bề mặt xúc tác[92]
Việc pha tạp thêm nguyên tố C hay lắng động kim loại trên bề mặt chất bán dẫn dẫn đến
sự hình thành của Schottky barriers, do khả năng hoạt động của yếu tố thêm vào (kim loại
hay phi kim, C) cao hơn ( khả năng có thể hoạt động như một bẫy electron, do đó nâng
cao hiệu quả phân tách electron và lỗ quang sinh để giảm thiểu sự tái tổ hợp của lỗ trống
và electron cũng như kéo dài thời gian hoạt động cho electron[93]. Hay nói cách khác,
pha tạp thêm C lên bề mặt của g-C3N4 cấu trúc lại năng lượng vùng cấm của xúc tác, và
có tác dụng như một chất nhận e (e-acceptor).

19

• Tách lớp g-C3N4 và pha tạp nguyên tố C
Nhược điểm lớn của g-C3N4 là bề mặt riêng bé, trong khi đó, bề mặt trong không được
hoạt hóa lại lớn, vùng hoạt đông quang miền ánh sáng nhìn thấy chưa đủ rộng và khả
năng tái tổ hợp lỗ trống với electron cao.
Do đó, các nhà khoa học đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu để đưa ra những cải tiến mới
để tăng diện tích bề mặt, cải thiện cấu trúc bề mặt, mở rộng vùng ánh sáng hoạt động của
xúc tác này...
Trong nghiên cứu này, g-C3N4 đã được tổng hợp và biến tính theo hướng tăng diện tích
bề mặt và pha tạp thêm nguyên tố phi kim C vào cấu trúc để mở rộng vùng hoạt động
quang miên nhìn thấy.
Một chất polymer đã được sử dụng làm dung môi cho quá trình tách lớp carbon nitride là
poly acrylamide, PAA.
Cơ chế việc tách lớp bằng PAA: PAA là một polyme ưa nước, bao gồm các acryl amide
ngưng tụ lại với nhau. Gốc amide (-CONH2) trong PAA cps thể hình thành liên kết hydro
với gốc amine chưa ngưng tụ trong g-C3N4 (amine bậc 1 và bậc 2), chính liên kết hydro
này có thể tach lớp khối lớn g-C3N4. Oxi hóa ở nhiệt độ cao cũng thương được sử dụng
để pha tạp nguyên tố. PAA có thể chuyển hóa thành carbon thông qua quá trình xử lý ở
nhiệt độ cao, điều này khiến cho cacbon có thể được pha tạp và gắn lên g-C3N4.

20

1.5.6 Các phương pháp tổng hợp
Gần đây, vật liệu bán dẫn g-C3N4 nhận được rất nhiều sự quan tâm, chính vì thế, các
phương pháp tỏng hợp của g-C3N4 cũng được nghiên cứu và công bố khá nhiều. Điển
hình là 5 phương pháp sau:

21

Hình 1-5 Các cách tổng hợp g-C3N4[44]
1.5.6.1 Phương pháp muối nóng chảy (Ionothermal Synthesis)
Phương pháp này được thực hiện bởi Michael J. Bojdys, Jens-Oliver Miller,[94]. g-C3N4
được tổng hợp từ sự ngưng tụ ở nhiệt độ cao của dicyandiamide bằng cách sử dụng hỗn
hợp muối nóng chảy của Lithiium Cloride và Kali Cloride làm dung môi. Cấu trúc hứa
hẹn của g-C3N4 hình thành trên nhiều lớp của s- heptazin hợp lại với nhau bằng liên kết
cộng hóa trị của C và N, xếp chồng từng lớp như là graphit.
Cụ thể phản ứng xảy ra như sau:

22

Hình 1-6 Phản ứng ngưng tụ tạo oligome, polimer từ cyanamide.
1.5.6.2 Phân tử tự ngưng tụ (Molecular self-asembly)
Phương pháp này được thực hiện bởi Manas K. Bhunia, Kazuo Yamauchi, Kazuhiro
Takanabe [95]. g-C3N4 đã được tổng hợp theo mô tả như sau: các phân tử ngưng tụ lại
bằng cách ngưng tụ nhiều ion tan nóng chảy (IMP), trong đó sử dụng melamine và 2,4,6-
triamnonipyridine như là một chất đệm.

23

Hình 1-7 Phản ứng hình thành g-C3N4
1.5.6.3 Chiếu xạ vi sóng (Microwave irradiation)
Đây là cách tổng hợp nhanh chóng, dễ dàng để tạo ra g-C3N4 theo báo cáo của Li Lin,
Ping Ye [96].
Các tác giả đã báo cáo về cách tổng hợp g-C3N4 trong thời gian tính bằng phút.
g-C3N4 được tổng hợp bằng cách chuyển hóa hợp chất giàu ni-tơ ở nhiệt độ cao (400-
600-o
C) trong thời gian dài.
Ở đây, các tác giả đã sử dụng vi sóng để truyền năng lượng vào vật liệu hấp thụ năng lượng
vi sóng, có thể nâng nhiệt độ lên cao chỉ trong vài phút. Cụ thể, các tác giả đã sử dụng CuO

24

như một vật liệu hấp thụ vi sóng, vật liệu này có thể hấp thụ năng lượng một cách mạnh
mẽ, nâng nhiệt độ lên 1285K trong thời gian chưa đến 7 phút.
Phương pháp này đưa đến một cách để tổng hơp g-C3N4 dễ dàng và nhanh chóng. Có
những lợi thế như kết thúc phản ứng chỉ trong vòng 10 phút, tiết kiệm thời gian và nâng
cao hiệu suất – hiệu quả về năng lượng. Tiếp theo đó, phương pháp nànafcos thể bỏ qua
được quá trình rửa và tránh tiếp xúc, sử dụng những hợp chất hữu cơ độc hại.
Hình 1-8 Tổng hợp g-C3N4 bằng chiếu xạ vi sóng
1.5.6.4 Phương pháp chất lỏng ion (Ionic liquid)
Có rất nhiều báo cáo về các cách tổng hợp của bulk – g-C3N4. Tuy nhiên, khối lớn
carbon nitride lại cho hoạt tính quang thấp, trong khi mẫu carbon nitride với lớp mỏng và
khuyết tật thì có hoạt tính tốt hơn. Điều đó cho thấy cấu trúc và bề mặt gần như quyết
định hoạt tính của xúc tác. Để củng cố hoạt tính của xúc tác, bề mặt đặc trưng của vật liệu
cần được biến tính và công nghệ nano với những mẫu silica mô phỏng cấu trúc carbon
nitride với mao quản trung bình đã được tạo ra gần đây [97]. Tuy nhiên những phương
pháp này thì khó có thể mở rộng trong thực tế, bởi vì các mẫu silica này cần phải được
loại bỏ bởi rất nhiều bước bao gồm rửa với dung dịch amonium bifloride NH4HF2 hay
HF, những dung môi này độc và lại không thân thiện với môi trường.
Chất lỏng ion thì lại là một cơ hội đặc biệt đầy hứa hẹn để đạt được những điều mong muốn
cho carbon nitride. Định nghĩa về chất lỏn ion được đưa ra như sau: chất lỏng ion là hỗn hợp
muối hữu cơ với điểm nóng chảy thấp, thường là dưới 100o
C. Chúng thừa hưởng những

25

tính năng tuyệt vời của muối nóng chảy vô cơ, chẳng hạn như ổn định hóa học, ổn định
nhiệt, áp suất hơi bé, có khả năng tồn tại ở trạng thái lỏng trong điều kiện môi trường bình
thường. Nó được ứng dụng rất rộng rãi và gần đây, nó trở thành tâm điểm trong việc tổng
hợp vật liệu nano dựa trên cấu trúc tương tác ion-ion, và những liên kết hydro. Đó là một
trong những lý do mà tác gỉả Yong Wang, Jinshui Zhang, Xinchen Wang, Markus
Antonietti, and Haoran Li đã lựa chọn chất lỏng ion để tổng hợp carbon nitride, và cụ thể
là BF4--
như là một anion có thể xen vào trong quá trình ngưng tụ C-N tạo các polymer
[98].
Các tác giả khẳng định rằng 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BmimBF4) ,
một chất lỏng ion đơn giản, có tính thương mại, ổn định và có thể sử dụng ở nhiệt độ
thường là một phương pháp đặc biệt dễ dàng để tổng hợp composite Boron và Flourine
Carbon Nitride, cùng với một tiền chất hữu cơ, ví dụ Dicyandiamide (DCDA) tự ngưng tụ
thành carbon nitride rắn trong sự có mặt của dung môi.
1.5.6.5 Phương pháp ngưng tụ nhiệt
Đây là phương pháp truyền thống và dễ dàng để tổng hợp nên g-C3N4 từ những vật liệu
hữu cơ giàu Ni tơ có sẵn như ure, thiure, melamine, dicyandiamide, cyanamide, … ở
khoảng 500-600o
C, trong không khí hoặc chân không, khí trơ.

26

Hình 1-9 Mô tả các bước hình thành g-C3N4 từ cyanamide[99] .
Phương pháp này dễ thực hiện, chỉ đi từ tiền chất và có thể nung trong không khí cũng
như khí trơ. Đây là phương pháp có thể mở rộng ra thực tế
1.6 Quá trình khử Cr(VI) trên xúc tác quang g-C3N4
Theo lý thuyết vùng năng lượng, điện tử tồn tại trong nguyên tử ở những mức năng lượng
gián đoạn. Trong chất rắn, khi các nguyên tử kết hợp với nhau thành khối, thì các mức
năng lượng này phủ lên nhau, trở thành các vùng năng lượng. Có 3 vùng chính trong chất
rắn là:[19]
- Vùng hóa trị: Là vùng có năng lượng thấp nhất, tại đó các điện tử liên kết mạnh với
nguyên tử và kém linh động.
- Vùng dẫn: Là vùng có mức năng lượng cao nhất, tại đó các điện tử rất linh động,
chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có các điện tử ở trên vùng dẫn.

27

- Vùng cấm: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có điện tử nằm ở vùng
này. Nếu bán dẫn có pha tạp, có thể xuất hiện thêm một số mức năng lượng xen kẽ. Độ
rộng vùng cấm chính là đặc trưng của chất bán dẫn, là mức năng lượng cần cung cấp cho
chất bán dẫn để có thể dẫn điện.
Xúc tác quang hóa là một dạng của vật liệu bán dẫn trong đó sử dụng năng lượng của
ánh sáng để kích thích các electron từ vùng hóa trị đến vùng dẫn. Khi đó tại vùng dẫn của
xúc tác sẽ xảy ra phản ứng khử nhờ các điện tử bị kích thích, tại vùng hóa trị sẽ xảy ra
phản ứng oxy hóa của lỗ trống quang sinh mới tạo thành.
Năng
lượng
Các
mức
chưa
lấp
Vùng dẫn
Vùng trống
năng lượng
Các
mức
đã
lấp
Vùng hóa
trị
Hình 1-10 Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn
Chất bán dẫn Cấu trúc tinh Cấu trúc năng lượng Tham khảo
thể CB VB Eg/eV
TiO2 Anatase -0.5 2.7 3.2 [45]
Cu2O -1.16 0.85 2.0 [46]
CdS -0.9 1.5 2.4 [47]
g-C3N4 -1.3 1.4 2.7 [48]
g-C3N4 -1.53 1.16 2.7 [48]
Ta3N5 -0.75 1.35 2.1 [48]
TaON -0.75 1.75 2.5 [49]
BiVO4 -0.3 2.1 2.4 [49]
WO3 -0.1 2.7 2.8 [50]

28

Ag3PO4 cubic 0.04 2.49 2.45 [51]
Bảng 1-5 So sánh cấu trúc năng lượng của g-C3N4 với một số vaạt liệu khác
Theo bảng 1-4, có thể so sánh khả năng khử cao hơn (giá trị CB -1.3eV) so sánh với rất
nhiều chất bán dẫn khác ( TiO2 có CB -0.5, WO3 có CB -0.1eV) và có vùng hoạt động
quang đến 460nm, vậy nên g-C3N4 đã được lựa chọn cho quá trình khử Cr(VI) về CrIII
trong dung dịch nước.
Cr(VI)
Ánh sáng
e-
CB e-
Cr(III)
Eg = 2.7eV
e
VB
+
H + O
h+ 2
H O
2
Hình 1-11 Cơ chế quá trình khử CrVI bằng xúc tác quang
Cơ chế của quá trình khử hóa Cr(VI) bằng xúc tác quang có thể được thể hiện như hình
1.3.1-2. Dưới ánh sáng cường độ đủ lớn, các electron bị kích thích từ vùng hóa trị di
chuyển lên vùng dẫn của g-C3N4 tại đó xảy ra phản ứng khử Cr(VI) về Cr(III) do sự dịch
chuyển về nơi có điện thế cao hơn của các electron. Tại vùng hóa trị của xúc tác, sau khi
electron di chuyển lên vùng dẫn, các lỗ trống quang sinh tạo thành có điện thế cao, nó có
thể oxy hóa nước thành O2 để tái kết hợp với electron, hoàn lại trạng thái ban đầu để tiếp
tục phản ứng.
Đối với crôm, có 2 dạng oxy hóa oxy hóa chính là Cr(VI) và Cr(III), trong đó
Cr(VI) rất độc hại và cần được xử lý. Phản ứng quang hóa xử lý Cr(VI) chính là quá trình
khử Cr(VI) về Cr(III) bởi electron được kích thích bởi ánh sáng của xúc tác.

29

Cr2O7
2-
+ 14H+
+ 6e → 2Cr3+
+ 7H2O
ECr(VI)/Cr(III) = E0
Cr(VI)/Cr(III) +
0,0592
. log [Cr2O7
2-
6 [Cr3+
]2
0,0592
.log
[Cr2O7
2-
]
= 1,33 – 0,138.pH +
6 [Cr3+
]2
Vậy, thế khử của Cr(VI)/Cr(III) phụ thuộc vào giá trị pH theo phương trình sau:
E’Cr(VI)/Cr(III) = 1,33 – 0,138.pH
Điện thế của electron trên vùng dẫn của g-C3N4 là -1.3 V. Để khử được Cr(VI), giá trị
này cần phải nhỏ hơn thế khử chuẩn của Cr(VI)/Cr(III):
1,33 – 0,138.pH > - 1.3

pH< 19.06
Do đó, về mặt lý thuyết, xúc tác quang hóa g-C3N4 khi được kích thích có thể khử hóa
được Cr(VI) ở miền pH rộng: tất cả các mẫu có tính axit và tính bazơ yếu. Hầu hết nước
thải Cr(VI) đều có tính axit nên quá trình xử lý Cr(VI) bằng xúc tác quang hóa g-C3N4 là
hoàn toàn khả thi.
Quá trình khử CrVI trong môi trường nước phụ thuộc rất nhiều vào pH, do đó yếu tố pH
đóng vai trò quyết định trong tốc độ và thời gian phản ứng. Vậy nên, yếu tố ảnh hưởng
của pH đã được khảo sát trong nghiên cứu này.
Quá trình khử Cr(VI) về Cr(III) diễn ra theo 3 giai đoạn, đi qua 2 trạng thái trung gian là
Cr(V) và Cr(IV) [23]:
Cr(VI) + e-
→ Cr(V)
Cr(V) + e-
→ Cr(IV)
Cr(IV) + e-
→ Cr(III)

30

Diễn ra đồng thời với quá trình khử cation kim loại là quá trình oxy hóa nước của
những lỗ trống quang sinh, chúng oxy hóa nước để thu nhận lại electron, trở lại trạng thái
ban đầu và tiếp tục cho quá trình phản ứng quang hóa:
h+
+ H2O → OH˙ + 2H+
h+
+ 2H2O → O2 + 4H+
Cr(V)/Cr(IV)/Cr(III) + h+
(OH˙) → Cr(VI)/Cr(V)/Cr(IV)
Với nhược điểm là lỗ trống quang sinh và electron dễ tái tổ hợp với nhau, alfm giảm
đi hiệu suất quá trình khử Cr(VI) Bởi vậy quá trình khử CrVI cần dùng thêm một chất
hữu cơ dễ bị oxi hóa để hi sinh cho quá trình oxi hóa trong hệ. Chất thường được sử dụng
cho quá trình này thường là những chất hữu cơ dễ bị oxy hóa. Thực tế, trong nước thải
công nghiệp, đi kèm với các cation kim loại nặng còn có một số chất hữu cơ, do vậy việc
thêm một chất hữu cơ trong nghiên cứu mang tính thực tế.
Acid citric là một chất hữu cơ dễ bị oxi hóa, lành tính, giá rẻ và có tính thương mại cao, một
hợp chất không độc hại và được ứng dụng nhiều trong quá trình tạo đồ chua cho các loại đồ
uống, phụ gia thực phẩm, làm mềm nước và làm chất tẩy rửa. Vậy nên acid citric đã được lựa
chọn sử dụng. Sau khi bị oxi hóa tạo thành các hợp chất có phân tử khối bé hơn và không độc
hại. Vậy nên acid cirtic được chọn để làm chất hi sinh – thu gom lỗ trống:
Hình 1-12Cơ chế thu gom lỗ trống của acid citric
Quá trình oxy hóa axit citric diễn ra theo nhiều bước, tạo thành acid 3 – oxo Glutamic và
sau đó là những hợp những có khối lượng phân tử nhỏ hơn như acetone, andehit formic,
acid formic, CO2 và nước[100]. Bởi vậy, sử dụng acid citric cho quá trình khử hóa Cr(VI)
làm tăng độ chuyển hóa quá trình khử bởi phản ứng của acid citric với các lỗ trống quang

31

sinh và các gốc hydroxyl tự do sẽ ngăn cản sự tái tổ hợp của electron kích thích bởi ánh
sáng và sự tái oxy hóa Cr(III) về dạng Cr(VI).
1.7 Định hướng cải thiện hoạt tính của xúc tác
Xúc tác quang g-C3N4 có rất nhiều điểm nổi bật so với xúc tác khác, như đã kể ở trên, nó
rất ổn định về tính chất hóa học, ổn định nhiêt, không hề độc hại, lại rất dồi dào phong
phú trong môi trường, dễ tổng hợp. Nó lại là một xúc tác phi kim loại, có vùng dẫn -1.3
và hoạt động quang ở vùng ánh sáng nhìn thấy.carbon nitride đều thể hiện được tính oxi
hóa và tính khử, đặc biệt tính khử rất tốt. Do đó xúc tác g-C3N4 đã được lựa chọn trong
ứng dụng xử lý CrVI trong môi trường nước.
Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì g-C3N4 còn có một số nhược điểm như diện tích bề
mặt riêng bé, diện tích bề mặt trng không hoạt động lớn, miền ánh sáng hoạt động quang
còn hẹp, khả năng tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh cao.
Vậy nên, trong đồ án này, vật liệu composite C/g-C3N4 đã được tổng hợp thông qua
phương pháp nhiệt phân từ khối g-C3N4 để tăng hoạt tính quang ở miền ánh sáng nhìn
thấy và giảm sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống quang sinh cũng như tăng diện tích bề
mặt riêng cho xúc tác. Xúc tác sau tổng hợp được ứng dụng để xử lý CR(VI) trong môi
trường nước. Acid citric được sử dụng như chất thu gom lỗ trống quang sinh với mục tiêu
tăng hiệu suất của phản ứng quang hóa, các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử CrVI như
pH, khối lượng xúc tác, tỷ lệ chất thu gom lỗ trống, … được nghiên cứu xác định.
Các phép phân tích như TEM, EDS, XRD, BET, hấp thụ UV-VIS được sử dụng để
nghiên cứu đặc trưng của xúc tác và ảnh hưởng của chúng đến quá trình quang hóa.

32

Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g c3n4 làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g c3n4 làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước.doc

Similar to Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g c3n4 làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu tổng hợp và tách khối g c3n4 làm xúc tác cho quá trình khử Cr(VI) trong môi trường nước.doc