Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Fe2O3 và MgO trên nền graphen đa lớp ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng As trong nước

Bài viết Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Fe2O3 và MgO trên nền graphen đa lớp ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng As trong nước trình bày một số kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Fe2O3 và MgO trên nền graphen đa lớp bằng phương pháp thủy nhiệt, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý ion As trong nước.

Nghiên cứu khoa học công nghệ Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Fe2O3 MgO graphen đa lớp ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng As nước Vũ Trí Thiện*, Nguyễn Trần Hùng, Nguyễn Thu Hương, Lã Đức Dương, Lê Hữu Thành Viện Hóa học-Vật liệu, Viện Khoa học Cơng nghệ quân * Email: thienkqh140309@gmail.com Nhận bài: 02/11/2022; Hoàn thiện: 17/11/2022; Chấp nhận đăng: 14/12/2022; Xuất bản: 20/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.VITTEP.2022.91-99 TĨM TẮT Tấm nano graphen (GNP) sử dụng chất để phân bố đồng hạt nano có khả hấp phụ nhằm cải thiện nâng cao khả hấp phụ kim loại nặng chúng Trong báo, tổ hợp nano graphen/Fe2O3-MgO chế tạo phương pháp thủy nhiệt Các đặc trưng tính chất tổ hợp vật liệu xác định phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ lượng tia X (EDX), phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Nồng độ asen xác định quang phổ phát xạ nguyên tử plasma vi sóng (AES) Tổ hợp graphen/Fe2O3-MgO cho thấy hiệu suất hấp phụ cao nhanh chóng asen dải pH rộng, độ bền cao, đặc biệt có khả tái chế, trở thành loại vật liệu hứa hẹn để xử lý ô nhiễm asen mơi trường nước cách hiệu Từ khóa: Tổ hợp graphen/Fe2O3-MgO; Hỗ hợp oxit Fe2O3-MgO; Hấp phụ asen; MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng, độc hại asen (As), chì (Pb) thủy ngân (Hg) gia tăng lên đáng kể nguồn nguyên nhân từ hoạt động người Do độc tính khả gây ung thư chúng người, việc tiếp xúc với nguyên tố gây nguy sức khỏe nghiêm trọng Trong số đó, asen nguyên tố độc nhất, diện rộng rãi tự nhiên thông qua việc rửa trôi từ đất, khai thác mỏ, phân bón, chất thải cơng nghiệp, hoạt động sinh học khoáng chất chứa As [1, 2] Do đó, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đưa hàm lượng tối đa asen nước 10ppb Ăn phải thực phẩm trồng thời gian dài khu vực bị ô nhiễm asen uống trực tiếp nước bị nhiễm asen có liên quan đến bệnh ung thư thận, da phổi [3] Vì vậy, việc xử lý asen nguồn nước ô nhiễm vấn đề cấp thiết, nhằm đảm bảo chất lượng nguồn nước mức giới hạn theo khuyến cáo WHO Hiện nay, có nhiều phương pháp sử dụng để loại bỏ ô nhiễm asen nước, bao gồm hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, xử lý điện hóa, lọc màng đồng kết tủa [4-7] Tuy nhiên, phương pháp hấp phụ đánh giá phương pháp đơn giản, chi phí thấp hiệu cao, việc xử lý, loại bỏ asen nước Nhiều vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ để hấp phụ asen chất thải nông nghiệp công nghiệp, chất hoạt động bề mặt, vật liệu gốc cacbon, polyme oxit kim loại [8, 9] Trong số này, kim loại oxit kim loại TiO2 [10-12], nano sắt hóa trị khơng [13, 14], Fe2O3 [3, 15, 16], Fe3O4 [17], CeO2 [18], CuO [19, 20], CaO [21] ZrO2 [22, 23] nghiên cứu rộng rãi để xử lý asen nước chúng có lực cao với loại ion asen, giá thành thấp [9, 24] Gần đây, hướng nghiên cứu tập trung vào việc phát triển vật liệu composite có chứa hai nhiều kim loại oxit kim loại để nâng cao tối đa khả hấp phụ asen Shan cộng chế tạo thành cơng hệ hỗn hợp oxit Fe-Mn có khả hấp phụ asen cao [25] Hợp chất Mg0,27Fe2,5O4 siêu thuận từ, chất hấp phụ asen mới, tổng hợp Tang cộng [26] Trong báo cáo khác, Yu cộng trình bày kết nghiên cứu hạt nano từ tính oxit kép Fe-Ti kết hợp tính chất quang xúc tác TiO2 với khả hấp phụ cao tính chất từ tính γFe2O3 để xử lý asen Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Nhiệt đới Mơi trường, 12-2022 91 Hóa học & Mơi trường Graphen dạng vật liệu hai chiều (2D), nghiên cứu, chế tạo rộng rãi đặc tính vật lý hóa học đặc biệt, graphen ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác điện tử, lưu trữ chuyển hoá lượng, cảm biến, hấp phụ vật liệu tổng hợp [27-32] Trong năm gần đây, graphen thu hút quan tâm lớn nhờ khả hỗ trợ, nâng cao tính chất hấp phụ vật liệu nhờ diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, độ linh động ion vượt trội Ganesh cộng tổng hợp dạng graphen từ tính thơng minh có khả loại bỏ kim loại nặng khỏi nước uống [33] Các hạt nano Fe2O3/TiO2 graphen oxit tổng hợp phương pháp sol-gel có khả hấp phụ cao asen [34] Kumar cộng tổng hợp graphen oxit đơn lớp với hạt nano từ tính mangan ferrite để loại bỏ hiệu asen từ nước bị nhiễm [35] Bài báo trình bày số kết nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Fe2O3 MgO graphen đa lớp phương pháp thủy nhiệt, ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý ion As nước THỰC NGHIỆM 2.1 Hoá chất, trang thiết bị Hoá chất: FeCl3.6H2O, 99%, Xilong; MgCl2.6H2O, 99%, Macklin; C2H5OH, 99,7%, Xilong; NaOH 98%, Xilong; Graphene cung cấp công ty Vngraphene Trang thiết bị: Thiết bị siêu âm JY99-IIDN Trung Quốc; Tủ quang hoá photo-catalytic reaction chamber 350 Viện Hoá học - Vật liệu chế tạo 2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp - Vật liệu tổ hợp GNPs/Fe2O3-MgO chế tạo phương pháp thủy nhiệt Đầu tiên, MgCl2.6H2O FeCl3.6H2O với tỷ lệ khối lượng Mg:Fe khác 10:0; 9:1; 7:3; 5:5; 3:7; 1:9 0:10 hòa tan 50 mL ethanol - Các nano graphen với khối lượng khác phân tán dung dịch hỗn hợp sóng siêu âm 10 phút khuấy Sau đó, thêm từ từ dung dịch NaOH 2M vào dung dịch, khuấy ổn định pH khoảng từ ÷ Tiến hành phản ứng điều kiện h, sau phản ứng thực auto clave nhiệt độ 150 °C - Dung dịch làm nguội đến nhiệt độ phòng kết tủa lọc rửa cồn nước cất Mẫu sấy khô qua 24 h nhiệt độ 60 oC khơng khí để thu vật liệu tổ hợp GNPs/Fe2O3-MgO 2.3 Đánh giá đặc trưng tính chất vật liệu - Thành phần pha mẫu vật liệu tổ hợp phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) thiết bị Mini flex 600 Rigaku (Nhật Bản) Đại học Khoa học - Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, nguồn tia CuKα, bước sóng λ=1.5406Ao, góc quét 2θ = 20o ÷ 70o, bước đo 0,03 o/s - Phân tích hình thái học xác định thơng qua phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) đo thiết bị HITACHI S-4800 phương pháp TEM máy hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao JEM 2100 phòng Hiển vi điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 2.4 Khảo sát khả hấp phụ asen vật liệu tổng hợp Dung dịch gốc As (V) 1000 ppm chuẩn bị cách hòa tan As2O5 nước Nồng độ asen xác định máy quang phổ phát xạ nguyên tử plasma vi sóng Agilent 4200 (MP-AES) Tất mẫu phân tích vòng 24 sau lọc 92 V T Thiện, …, L H Thành, “Nghiên cứu chế tạo … hấp phụ kim loại nặng As nước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng tính chất vật liệu tổ hợp Hình thái học nano graphen (GNP) oxit Fe2O3-MgO sau tổng hợp với tỷ lệ khối lượng Mg:Fe 5:5 thể hình ảnh SEM hình Có thể thấy rõ hình 1a GNPs thu có hình thái bề mặt cuộn lớp tạo thành lớp không phẳng với đường kính hàng chục micromet độ dày