Nghiên cứu điều chế vật liệu magnesium silicate vô định hình để hấp phụ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHAN THANH LONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU MAGNESIUM SILICATE VÔ ĐỊNH HÌNH ĐỂ HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành K THU T H HỌC Mã chuyên ngành 60 52 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Vật liệu magnesium silicate vô định hình đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu ởi những ứng dụng rộng rãi của chúng nhƣ làm ch t hỗ trợ xúc tác, phụ gia trong sản xu.

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHAN THANH LONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU MAGNESIUM SILICATE VƠ ĐỊNH HÌNH ĐỂ HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: K THU T H HỌC Mã chuyên ngành: 60.52.03.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Vật liệu magnesium silicate vơ định hình đƣợc nhà khoa học quan tâm nghiên cứu ởi ứng dụng rộng rãi chúng nhƣ: làm ch t hỗ trợ xúc tác, phụ gia sản xu t sơn,… đặc iệt khả h p phụ, chúng có diện tích ề mặt riêng cực cao kết hợp với thể tích lỗ xốp lớn đồng Với mục tiêu khả h p phụ đồng thời kim loại nặng mơi trƣờng nƣớc, vật liệu magnesium silicate vơ định hình đƣợc tổng hợp ằng phƣơng pháp kết tủa, yếu tố ảnh hƣởng đƣợc tối ƣu hóa ằng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm theo mơ hình trực giao ậc Box – Wilson Đặc trƣng vật liệu tối ƣu đƣợc xác định ằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại (FTIR), định tính thành phần nguyên tố (XRF), phân tích nhiệt (TG ), quang phổ phát xạ nguyên tử Vật liệu tổng hợp đƣợc có diện tích ề mặt riêng theo BET đạt 454m 2/g, thể tích lỗ xốp đạt 0,325cc/g kích thƣớc hạt trung ình đạt 116µm, với độ h p phụ đồng thời ion Cd, P , s mẫu nƣớc ô nhiễm nhân tạo đạt 4,76mg/1g vật liệu điều kiện tối ƣu Ngoài ra, kết nghiên cứu thăm dò cho th y magnesium silicate vơ định hình cịn có khả h p phụ tốt ion kim loại chuyển tiếp khác nhƣ: Fe, Cu, Zn, Cr, số mẫu nƣớc nhiễm kim loại khác Do đó, magnesium silicate vơ định hình vật liệu h p phụ tiềm việc xử lý nguồn nƣớc ô nhiễm kim loại nặng ii MỤC LỤC MỤC LỤC v D NH MỤC HÌNH ẢNH viii D NH MỤC BẢNG BIỂU x D NH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU .1 Đặt v n đề .1 Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Tính khoa học thực tiễn CHƢƠNG TỔNG QU N .4 1.1 Giới thiệu vật liệu magnesium silicate 1.1.1 Magnesium silicate Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu magnesium silicate 1.1.2.1 Phƣơng pháp kết tủa .6 1.1.2.2 Phƣơng pháp nung khử nƣớc 1.1.2.3 Phƣơng pháp kết tủa gel 1.1.3 Các phƣơng pháp đánh đặc trƣng độ tinh khiết 1.1.3.1 Phƣơng pháp đo phổ hồng ngoại 1.1.3.2 Phƣơng pháp xác định c u trúc ằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X .10 1.1.3.3 Phƣơng pháp xác định thành phần hóa học 10 1.1.4 Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 11 1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 14 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 14 1.2.2 Tình hình nhiên cứu nƣớc .16 1.3 Một số v n đề h p phụ 17 1.3.1 Tổng quan h p phụ 17 1.3.2 Các loại vật liệu silicat h p phụ .22 1.3.2.1 Các yêu cầu ch t h p phụ .22 1.3.2.2 Một số ch t h p phụ thƣờng gặp 22 v CHƢƠNG THỰC NGHIỆM .25 2.1 Thiết ị hóa ch t 25 2.2 Nội dung thực nghiên cứu 25 2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu 26 2.2.2 Khảo sát xây dựng yếu tố ảnh hƣởng, quy hoạch thực nghiệm .27 2.2.2.1 Khảo sát xây dựng yếu tố 27 2.2.2.2 Quy hoạch thực nghiệm .30 2.2.3 Quy trình đánh giá đặc trƣng vật liệu 33 2.2.3.1 Phƣơng pháp đo phổ hồng ngoại 33 2.2.3.2 Phƣơng pháp xác định c u trúc ằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X .33 2.2.3.3 Phƣơng pháp xác định kích thƣớc hạt 34 2.2.3.4 Phƣơng pháp xác định diện tích ề mặt riêng, thể tích lỗ xốp vật liệu 34 2.2.4 Quy trình phân tích thành phần, hàm lƣợng nguyên tố vật liệu .34 2.2.4.1 Xác định thành phần, hàm lƣợng kim loại magnesium silicate 34 2.2.5 Quy trình đánh giá độ h p phụ đồng thời ion kim loại nặng nƣớc thải công nghiệp vật liệu magnesium silicate 40 2.2.5.1 Quy trình xác định hàm lƣợng kim loại mẫu nƣớc (EP method 200.7) 40 2.2.5.2 Thí nghiệm đánh giá khả h p phụ kim loại mẫu nƣớc c t thêm chuẩn 41 2.2.5.3 Thí nghiệm đánh giá khả h p phụ kim loại mẫu nƣớc thải cơng nghiệp quy mơ phịng thí nghiệm .42 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LU N .44 3.1 Quy hoạch thực nghiệm 44 3.1.1 Khảo sát ảnh hƣởng yếu tố, phƣơng trình hồi quy .44 3.1.2 Kiểm định độ sai lệch tính tốn lý thuyết so với kết thực nghiệm 47 3.1.3 Điều kiện tối ƣu trình tổng hợp 49 3.2 C u trúc đặc trƣng, độ tinh khiết vật liệu .52 3.2.1 Phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) 52 3.2.2 Phân tích ằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 54 vi 3.2.3 Phân tích diện tích ề mặt riêng thể tích lỗ xốp vật liệu 55 3.2.4 Kích thƣớc hạt 60 3.2.5 Độ tinh khiết thành phần hóa học 61 3.3 Khả h p phụ đồng thời kim loại nặng mẫu thực tế .65 3.3.1 Khả h p phụ kim loại nặng nƣớc thải 65 3.3.2 Khả h p phụ đồng thời kim loại nặng mẫu nƣớc giếng .68 KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU TH M KHẢO 73 PHỤ LỤC 75 LÝ LỊCH TRÍCH NG NG CỦ HỌC VIÊN 98 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Magnesium silicate vơ định hình Hình 1.2 Sự phân ố đƣờng kính kích thƣớc hạt magnesium silicate tổng hợp ằng phƣơng pháp kết tủa .5 Hình 1.3 Sự thay đổi nồng độ ion Mg2+ thêm dung dịch natri silciat Hình 1.4 Quy trình tổng hợp magnesium silicate theo phƣơng pháp kết tủa .8 Hình 1.5 Phổ FT-IR magnesium silicate Hình 1.6 Mơ hình mơ phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm c u trúc có tâm a yếu tố .12 Hình 1.7 Đồ thị h p phụ BET Langmuir 21 Hình 1.8 Than hoạt tính đƣợc sử dụng làm ch t h p phụ 23 Hình 1.9 Đồ thị h p phụ đẳng nhiệt nitơ than hoạt tính với lỗ xốp 23 Hình 1.10 Khống silicat tự nhiên magnesium silicate tổng hợp 24 Hình 2.1 Sơ đồ qui trình tổng hợp vật liệu magnesium silicate vơ định hình 26 Hình 2.2 Giản đồ TG magnesium silicate .29 Hình 3.1 Đồ thị iểu diễn khả ảnh hƣởng đồng thời cặp yếu tố lên độ h p phụ sản phẩm 46 Hình 3.2 Đồ thị mối tƣơng quan giá trị tính tốn thực nghiệm độ h p phụ đồng thời ion P , Cd, s điều kiện khác .49 Hình 3.3 Đồ thị iểu diễn điểm tối ƣu trình tổng hợp vật liệu 50 Hình 3.4 Kết phân tích quang phổ hồng ngoại mẫu magnesium silicate tối ƣu .52 Hình 3.5 Kết phân tích quang phổ hồng ngoại: mẫu Florisil thƣơng mại, magnesium silicate sau nung 650 oC, magnesium silicate tối ƣu 53 Hình 3.6 Kết phân tích nhiễu xạ tia X vật liệu magnesium silicate tối ƣu 54 Hình 3.7 Diện tích ề mặt MgSiO3 điều kiện tối ƣu theo BET .55 Hình 3.8 Thể tích lỗ xốp sản phẩm MgSiO3 tối ƣu 56 Hình 3.9 Diện tích ề mặt theo BET MgSiO3 nung 650 oC 57 Hình 3.10 Diện tích ề mặt Florisil thƣơng mại theo BET 58 viii Hình 3.11 Thể tích lỗ xốp sản phẩm MgSiO3 tối ƣu sau nung 650 oC .59 Hình 3.12 Kết đo kích thƣớc hạt vật liệu tối ƣu 60 Hình 3.13 Kết định tính thành phần nguyên tố vật liệu tối ƣu 61 Hình 3.14 Định lƣợng nguyên tố ằng phƣơng pháp sắc ký ion 63 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thí nghiệm a yếu tố hai mức 12 Bảng 2.1 Kết khảo sát sơ ộ độ h p phụ tổng lƣợng P , Cd, s mẫu nƣớc c t thêm chuẩn thay đổi tốc độ khu y 28 Bảng 2.2 Kết khảo sát sơ ộ độ h p phụ tổng lƣợng P , Cd, s thay đổi tốc độ dòng chảy Mg2+ vào dung dịch .29 Bảng 2.3 Kết khảo sát sơ ộ độ h p phụ tổng lƣợng P , Cd, s mẫu nƣớc c t thêm chuẩn thay đổi nhiệt độ s y 30 Bảng 2.4 Vùng khảo sát ốn yếu tố 31 Bảng 2.5 Các khảo sát điều kiện tổng hợp magnesium silicate theo phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 32 Bảng 2.6 Chƣơng trình chạy máy phân tích hàm lƣợng Silic thiết ị phân tích quang phổ phát xạ plasma Perkin Elmer Optima 5300 ICP-OES .36 Bảng 2.7 Chƣơng trình chạy máy phân tích hàm lƣợng cation thiết ị phân tích quang phổ phát xạ plasma Perkin Elmer Optima 5300 ICP-OES 38 Bảng 3.1 Độ h p phụ tổng hàm lƣợng ion (P , Cd, s) ứng với điều kiện khảo sát theo giá trị mã hóa .44 Bảng 3.2 Kết hàm lƣợng ion kim loại ị h p phụ gam vật liệu theo tính tốn kết thực nghiệm ứng với điều kiện khác 47 Bảng 3.3 Kết thực nghiệm độ h p phụ ion kim loại nặng vật liệu 51 Bảng 3.4 Kết đo diện tích ề mặt, thể tích lỗ xốp vật liệu MgSiO3 tối ƣu, sau nung Florisil 59 Bảng 3.5 Kết hàm lƣợng cation mẫu magnesium silicate tối ƣu 62 Bảng 3.6 Hàm lƣợng anion có vật liệu điều kiện tối ƣu 63 Bảng 3.7 Tổng hợp kết định tính, định lƣợng thành phần nguyên tố 64 Bảng 3.8 Hàm lƣợng kim loại nặng mẫu nƣớc thải trƣớc xử lý 65 Bảng 3.9 Hàm lƣợng dung dịch chuẩn thêm vào mẫu nƣớc .66 Bảng 3.10 Hàm lƣợng kim loại mẫu nƣớc thải trƣớc h p phụ 66 x Bảng 3.11 Hàm lƣợng kim loại mẫu nƣớc thải sau ị h p phụ 67 Bảng 3.12 Hàm lƣợng kim loại nặng ị h p phụ gam vật liệu 67 Bảng 3.13 Hàm lƣợng kim loại nặng mẫu nƣớc giếng 68 Bảng 3.14 Hàm lƣợng dung dịch chuẩn thêm vào mẫu nƣớc 69 Bảng 3.15 Hàm lƣợng kim loại có mẫu nƣớc giếng sau thêm chuẩn 69 Bảng 3.16 Hàm lƣợng kim loại lại mẫu nƣớc giếng sau ị h p phụ 69 Bảng 3.17 Hàm lƣợng kim loại nặng ị h p phụ gam vật liệu 70 xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BET: Phƣơng pháp đo diện tích ề mặt riêng FT-IR: Phƣơng pháp quang phổ hồng ngoại SEM: Kính hiển vi điện tử quét TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TGA: Phƣơng pháp phân tích nhiệt TN: Thí nghiệm XRD: Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X XRF: Phƣơng pháp định tính thành phần nguyên tố xii 84 Phụ lục 10: Kết phân tích ằng phƣơng pháp sắc ký ion 85 86 87 Phụ lục 11: Kết đo máy quang phổ phát xạ plasma Perkin Elmer Optima 5300 ICP- OES, khảo sát khả h p phụ đồng thời kim loại: P , Cd, s 88 89 90 Phụ lục 12: Kết đo máy quang phổ phát xạ plasma Perkin Elmer Optima 5300 ICP-OES, khả h p phụ đồng thời số kim loại nặng mẫu thực tế 91 92 93 94 95 Phụ lục 13: Kết phân tích hàm lƣợng kim loại mẫu nƣớc thải 96 Phụ lục 14: Kết phân tích hàm lƣợng kim loại mẫu nƣớc giếng khoan 97 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: Phan Thanh Long Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi Email: longpt@case.vn Điện thoại: 0902 786 226 II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Năm 2007: tốt nghiệp cử nhân cao đẳng chuyên ngành Hóa phân tích Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Năm 2009: tốt nghiệp cử nhân chun ngành Hóa phân tích Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Tháng 10 năm 2016 đến học cao học chun ngành Cơng nghệ hóa Trƣờng Đại Học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2007 đến Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh Kiểm nghiệm viên Tp HCM, ngày tháng năm 20 Ngƣời khai Phan Thanh Long 98 ... nƣớc thải công nghiệp? ?? đƣợc lựa chọn để nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu quy trình điều chế vật liệu magnesium silicate có c u trúc vơ định hình với chi phí th p để tạo đƣợc vật liệu. .. nhiễm kim loại nặng mơi trƣờng nƣớc Điều góp phần ảo vệ môi trƣờng phát triển ền vững đ t nƣớc Đó lý đề tài ? ?Nghiên cứu điều chế vật liệu magnesium silicate vô định hình để h p phụ kim loại nặng. .. magnesium silicate vơ định hình khả h p phụ kim loại nặng nƣớc thải công nghiệp Phạm vi nghiên cứu:  Tổng hợp vật liệu magnesium silicate vơ định hình ằng phƣơng pháp kết tủa,  Tìm điều kiện