Luận văn nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước

Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin cảm ơn Khoa Môi Trường -Trường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Trong trình thí nghiệm cho luận văn mình, tơi nhận giúp đỡ anh chị quản lý phịng thí nghiệm thầy Bộ môn Công nghệ môi trường – Khoa Môi trường, Trung tâm Khoa học Vật liệu – Khoa Vật lý – Đại học Khoa học Tự nhiên anh Phạm Văn Lâm – Viện Hóa học – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ trình làm thực nghiệm luận văn Tơi cảm ơn sinh viên nhóm thực đề tài ln tận tình hỗ trợ tơi thực đề tài Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Hà, người giúp định hướng nghiên cứu, xây dựng ý tưởng hướng dẫn tơi tận tình q trình nghiên cứu Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình thân u tơi Tất bạn bè, đồng nghiệp bên suốt chặng đường đi, động viên hỗ trợ giúp đỡ để hồn thành luận văn Học viên Ngơ Ngọc Thư Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -1- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAS Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử BVTV Bảo vệ thực vật CB Clobenzen DDT Dichloro-diphenyl-trichloroethane ĐK Điều kiện FAO Tổ chức Nơng lương Liên Hợp Quốc EDTA Axít etilendiamintetrainxetic HCBVTV Hợp chất bảo vệ thực vật RCl Hợp chất clo vòng thơm OCP Hợp chất thuốc trừ sâu clo PCB Hợp chất polyclobiphenyl POP Hợp chất hữu bền vững khó phân hủy SEM Scanning Electron Microscope TEM Transmission Electron Microscope UV-VIS Ultraviolet–visible spectroscopy WHO Tổ chức y tế giới Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -2- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 10 1.1 Tổng quan vật liệu chứa sắt kích thước nano 10 1.1.1 Đặc điểm vật liệu nano 10 1.1.2 Khái quát phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước nano 12 1.2 Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường nước 15 1.2.1 Ứng dụng xử lý nitrat 15 1.2.2 Ứng dụng xử lý hợp chất clo hữu 24 Chương ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 Đối tượng nghiên cứu 46 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1 Phương pháp tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano 49 2.2.2 Ứng dụng vật liệu xử lý nitrat 54 2.2.3 Ứng dụng vật liệu xử lý hợp chất clo hữu 58 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 63 3.1 Kết nghiên cứu chế tạo vật liệu 63 3.1.1 Kết nghiên cứu chế tạo vật liệu khơng bổ sung chất hoạt hóa bề mặt 63 3.1.2 Kết phân tích đặc tính vật liệu 64 3.2 Kết nghiên cứu khả xử lý nitrat vật liệu 68 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -3- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư 3.2.1 Kết xây dựng đường chuẩn phân tích nitrat, nitrit amoni 68 3.2.2 Kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới hiệu xử lý 70 3.2.3 Kết khảo sát sản phẩm trình khử 72 3.3 Khả xử lý hợp chất clo hữu vòng thơm vật liệu 74 3.3.1 Kết xây dựng đường chuẩn phân tích clobenzen 75 3.3.2 Kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới hiệu xử lý 75 3.3.3 Khảo sát sản phẩm cuối trình xử lý 84 3.3.4 Xác định khả hấp phụ hợp chất FeOOH 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 95 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -4- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Trang Bảng Hàm lượng sắt mẫu vật liệu chế tạo 67 Bảng : Sự thay đổi nồng độ nitrat theo thời gian pH khác 70 (C0 = 100mg/l; [Fe] = 0,033mg/ml; pH = 4, 5, 6) Bảng 3.Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang A vào nồng độ CB 77 Bảng Ảnh hưởng nồng độ EDTA 78 Bảng Ảnh hưởng pH tới suy giảm hàm lượng CB 80 Bảng Ảnh hưởng kích thước bột sắt 82 Bảng Ảnh hưởng hàm lượng bột sắt 84 Bảng Ảnh hưởng hàm lượng CB 85 Bảng 9:Bảng so sánh hàm lượng CB lại hàm lượng COD lại 86 Bảng 10 Khả hấp phụ CB FeOOH 89 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -5- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1: Q trình thẩm thấu 21 Hình 2: Quá trình thẩm thấu ngược 21 Hình : Quá trình điện thẩm tách 22 Hình Dải phân bố tần số sóng âm 24 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điện hóa 25 Hình Một số hợp chất thuốc trừ sâu clo phổ biến 29 Hình Cấu tạo hợp chất polyclobiphenyl 30 Hình Sự hấp thụ, phân bố, tích lũy, trao đổi chất đào thải 32 số hóa chất thể sinh vật [5] Hình Sắt tham gia vào trình khử hợp chất clo hữu 45 Hình 10 Sơ đồ sắt (Fe(II)) tham gia vào trình khử 45 Hình 11 Sơ đồ sắt hydro tham gia vào trình khử 46 Hình 12 Phân tử clobenzen 48 Hình 13: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu 51 Hình 14 Phổ tử ngoại dung dịch clobenzen 59 Hình 15: Sắc đồ chất 60 Hình 16 Kết chụp SEM mẫu vật liệu khơng bổ sung chất hoạt hóa bề mặt 63 Hình 17: Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu chế tạo 64 Hình 18 Kết chụp TEM mẫu vật liệu bổ sung chất hoạt 65 Hình 19 Kết đo đường cong từ hóa mẫu vật liệu chế tạo 66 Hình 20 Vật liệu sắt kích thước nano chế tạo 67 Hình 21 Đường chuẩn phân tích NH4+; NO2- NO3- 69 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -6- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Hình 22 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý nitrat Hình 23 Ảnh hưởng hàm lượng Fe0 đến hiệu xử lý nitrat (C0 = 100mg/l; pH=3,5-4,5) Hình 24 Ảnh hưởng nồng độ nitrat ban đầu (Fe0=1g/l; pH=4) 71 72 73 (C0= 100mg/l; [Fe] = 0.033g/l) Hình 25 Cân khối lượng dạng tồn N dung dịch 74 (Co=100mg/l; Fe=1g/l; pH=4) Hình 26 Cân nitơ pH=6 75 Hình 27 Đồ thị đường chuẩn clobenzen 77 Hình 28 Ảnh hưởng EDTA đến khả xử lý vật liệu 78 Hình 29 Sự phụ thuộc hàm lượng CB lại dung dịch 79 theo nồng độ EDTA (sau phản ứng) Hình 30: Ảnh hưởng pH tới suy giảm hàm lượng CB 80 Hình 31 Sự phụ thuộc hàm lượng CB lại dung dịch 81 theo pH(sau phản ứng) Hình 32 Ảnh hưởng kích thước vật liệu 83 Hình 33 Sự phụ thuộc hàm lượng CB cịn lại dung dịch 83 kích thước vật liệu (sau phản ứng) Hình 34 Sự phụ thuộc hàm lượng CB lại vào lượng vật liệu 84 cho vào Hình 35: Ảnh hưởng hàm lượng CB ban đầu đến hiệu suất xử 86 lý(sau giờ) Hình 36: Bảng so sánh hiệu suất xử lý CB COD (sau giờ) 87 Hình 37 So sánh hàm lượng CB (sau phản ứng) pH khác 89 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 -7- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngơ Ngọc Thư MỞ ĐẦU Q trình hội nhập Việt Nam (1995) tạo tăng trưởng kinh tế liên tục đạt 7% tốp 10 quốc gia có tốc độ phát triển kinh tế nhanh giới Hội nhập mang tới cho Việt Nam hội lớn để phát triển, vươn mạnh mẽ, xây dựng diện mạo cho đất nước đưa đất nước thoát khỏi phụ thuộc dần khẳng định vị trường quốc tế Nhưng kèm theo đó, chục năm qua, Việt Nam phải đối mặt với tác động môi trường mối đe dọa suy giảm mơi trường chưa có Ơ nhiễm nước mặt, nước ngầm, khơng khí, đất khắp nơi tốc độ suy giảm nguồn tài nguyên, suy giảm đa dạng sinh học gia tăng hệ việc phát triển mà khơng tính tới lợi ích mơi trường Trong đó, nhiễm mơi trường nước vấn đề đặc biệt quan tâm liên quan ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sinh hoạt cộng đồng Vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường nước vấn đề quan trọng để đảm bảo nguồn nước cho sinh hoạt hoạt động sản xuất Một loại chất gây ô nhiễm nguồn nước phổ biến hoạt động sản xuất người tạo nitrat hợp chất clo hữu cơ… Đây chất nhiễm có tác động có hại đến môi trường sinh thái, động thực vật sức khỏe người Đã có nhiều cơng nghệ xử lý chất ô nhiễm nghiên cứu ứng dụng thực tế Hiện nay, công nghệ nhiều nhà khoa học nước giới quan tâm nghiên cứu công nghệ nano – Sử dụng vật liệu có kích thước nano để tăng hiệu trình Vì vậy, luận văn chọn đề tài nghiên cứu là: Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -8- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng xử lý nước” Phương pháp xử lý số chất ô nhiễm nitrat hợp chất clo hữu cơ… vật liệu sắt kích thước nano phương pháp áp dụng số nước giới Đây phương pháp thân thiện với môi trường, phương pháp sử dụng sắt chất độc hại, biến đổi hợp chất nhiễm, độc hại thành hợp chất độc hại với mơi trường Mục tiêu nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu chứa sắt kích nano; - Nghiên cứu ứng dụng vật liệu chế tạo xử lý số chất ô nhiễm phổ biến môi trường nước: + Nghiên cứu ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho việc xử lý nitrat nước; + Nghiên cứu ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho việc xử lý hợp chất clo hữu (clo benzen) mơi trường nước; Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 -9- Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Chương : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan vật liệu chứa sắt kích thước nano 1.1.1 Đặc điểm vật liệu nano Công nghệ nano là: “ngành công nghệ liên quan tới việc thiết kế, phân tích, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước quy mơ nano mét” Theo sáng kiến quốc gia khoa học công nghệ nano (National Nanotechnology Initiative- NNI) Mỹ, công nghệ nano phải bao gồm lĩnh vực sau: - Nghiên cứu phát triển công nghệ cấp độ nano với kích thước từ tới 100nm - Tạo cấu trúc, thiết bị, hệ thống có đặc tính chức kích thước nhỏ chúng Vật liệu nano vật liệu mà cấu trúc thành phần cấu tạo nên phải có chiều kích thước nanomét Vật liệu nano tồn trạng thái: rắn, lỏng, khí Trong vật liệu rắn quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đến vật liệu lỏng khí Có thể phân chia vật liệu nano thành loại dựa hình dạng: - Vật liệu nano ba chiều (hay vật liệu nano không chiều): chiều có kích thước nanomet.VD: hạt nano, đám nano… - Vật liệu nano hai chiều: vật liệu có chiều có kích thước nano VD: màng nano… Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 10 - 120 100 80 [clobenzen] mg/l Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Hàm lượng CB 60 40 20 pH = pH = pH = pH = Hình 31 Sự phụ thuộc hàm lượng CB lại dung dịch theo pH (sau phản ứng) Có thể thấy rằng ở khoảng pH từ đến 4, nồng độ CB còn lại dung dịch sau phản ứng giảm rất nhanh, khoảng pH từ đến hàm lượng CB chênh lệch nhỏ dung dịch sau xử lý có độ pH khơng q thấp ta chọn pH = Kết quả được giải thích sau: Trong môi trường pH thấp, nồng độ H+ lớn, phản ứng phân hủy sẽ dịch chuyển mạnh theo chiều thuận Hơn nữa, điều kiện phản ứng có sử dụng khí O2 và ligan hữu EDTA thì phản ứng phân hủy được thực hiện theo chế của hiệu ứng Fenton Các nghiên cứu đã chỉ rằng phản ứng Fenton xảy thuận lợi ở vùng pH thấp, đạt hiệu suất cao nhất ở khoảng pH (từ đến 4) Ở pH cao hơn, nồng độ CB dung dịch sau phản ứng giảm chậm hơn, hiệu suất phản ứng đạt thấp nhiều so với thực hiện phản ứng ở vùng pH thấp Có thể giải thích rằng ở vùng pH trung tính và kiềm, sự khử hợp chất CB không có môi trường thuận lợi cho sự tham gia Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 80 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư của phản ứng Fenton mà ưu tiên cho sự khử của sắt hóa trị không Quan sát thấy rằng hiệu suất phản ứng ở pH= lại cao ở pH = Điều này được giải thích sau: q trình phản ứng có sinh sản phẩm phản ứng FeOOH sinh, ở môi trường kiềm, hợp chất FeOOH được sinh nhiều môi trường axit và trung tính, nữa theo một số nghiên cứu thì hợp chất này mới sinh có khả hấp phụ một số hợp chất hữu độc hại Do vậy khả hấp phụ hợp chất CB lên FeOOH là lớn thực hiện phản ứng ở pH cao Ở pH = 8, khả xử lý CB nhờ phản ứng khử giảm khả hấp phụ của CB lên bề mặt sản phẩm phản ứng (FeOOH) lại tăng lên Vì CB khơng bị loại bỏ nhiều trình phản ứng lượng CB lại dung dịch sau phản ứng giảm đáng kể c> Kết nghiên cứu ảnh hưởng khối lượng vật liệu cho vào * Ảnh hưởng kích thước hạt Cho vào 02 bình phản ứng: Bình cho gam vật liệu chứa sắt kích thước nano, bình cho g bột sắt có kích thước hạt 200 - 1000 µm và 100ml CB bão hòa + 5ml EDTA 0,01M, tiến hành phản ứng pH = Sau khoảng thời gian xác định khác nhau, tiến hành xác định nồng độ CB (mg/l) lại dung dịch phản ứng, kết thu sau: Bảng Ảnh hưởng kích thước bột sắt   t (phút) Loại Vật liệu 500 Bột sắt 500 30 134.21 211.57 60 70.44 121.05 90 33.37 61.12 120 13.72 45.23 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 81 - 600 500 400 Ngô Ngọc Thư [clobenzen] mg/l Luận văn thạc sỹ khoa học Vật liệu Bột sắt 300 200 100 0 30 60 90 Thời gian t 120 Hình 32 Ảnh hưởng kích thước vật liệu 50 Hình 33 Sự phụ thuộc khả 45 xử lý vào kích thước vật 40 liệu (sau phản ứng) [clobenzen] mg/l 35 30 Loại vật liệu chứa sắt kích 25 20 thước nano có khả xử lý 15 CB tốt bột sắt có kích thước 10 hạt µm Điều phù hợp với thực tế với Vật liệu Bột sắt lượng bột sắt loại bột sắt có kích thước hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn, khả tiếp xúc với chất phản ứng tăng làm tăng trung tâm phản ứng dẫn đến làm tăng tốc độ phản ứng phân hủy, ngồi cịn nhờ tính chất đặc biệt vật liệu có kích thước nano nên khả xử lý vật liệu kích thước nano tốt so với kích thước thường Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 82 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư * Ảnh hưởng hàm lượng vật liệu chứa sắt Cho vào các bình phản ứng lượng bột sắt khác và 100ml CB bão hòa + 5ml EDTA 0,01M, tiến hành phản ứng pH = Sau khoảng thời gian xác định khác nhau, xác định nồng độ CB (mg/l) các bình phản ứng, kết thu sau: Bảng Ảnh hưởng hàm lượng bột sắt   0.5g 500 1g 500 2g 500 30 287.47 184.12 133.41 107.45 60 251.32 126.29 71.38 59.26 90 205.31 85.24 33.75 26.17 120 184.39 69.36 13.88 10.23 600 500 [clobenzen] mg/l 0.1g 500 0.1g 0.5g 1g 2g 400 300 200 100 0 30 60 90 120 thời gian t Hình 34 Sự phụ thuộc hàm lượng CB lại vào lượng vật liệu cho vào Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 83 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Có thể nhận thấy tăng hàm lượng sắt kim loại q trình xử lí nhanh, triệt để Tăng hàm lượng sắt kim loại phản ứng tức tăng diện tích bề mặt sắt kim loại làm tăng khả tiếp xúc sắt với chất phản ứng, dẫn đến làm tăng tốc độ phản ứng phân hủy Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt sắt Càng tăng hàm lượng sắt làm tăng hiệu suất phản ứng nên chọn hàm lượng sắt vừa phải để tốn nguồn nước sau xử lý chất độc hại nhiều sắt Tùy thuộc vào hàm lượng chất cần xử lý có nguồn nước mà sử dụng lượng bột sắt phù hợp d> Kết nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng CB Pha loãng từ dung dịch CB bão hịa vào bình định mức 100ml với tỷ lệ khác (2 lần, lần, lần, lần) sau cho vào bình nón 250ml cho vào bình phản ứng 1g vật liệu chứa sắt kích thước nano + 5ml EDTA 0,01M, tiến hành phản ứng pH = Kết thu sau: Bảng Ảnh hưởng hàm lượng CB [CB]mg/l t (phút) 500 400 300 200 100 500 400 300 200 100 30 133.57 125.21 109.18 85.31 72.5 60 71.38 57.36 42.35 28.56 22.48 90 33.82 24.81 17.11 11.69 10.03 120 13.69 12.21 9.72 7.77 6.63 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 84 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư 100 90 80 H (% ) 70 60 50 40 30 20 10 500 400 300 200 100 [CB] ban đầu mg/l Hình 35: Ảnh hưởng hàm lượng CB ban đầu đến hiệu suất xử lý(sau giờ) Nhìn vào bảng kết thu ta thấy hàm lượng CB ban đầu nhỏ hàm lượng CB lại nhỏ, hiệu suất xử lý có giảm song nhỏ so với việc giàm nồng độ CB ban đầu Điều cho thấy vật liệu chứa sắt kích thước nano có khả xử lý tốt dung dịch có hàm lượng CB nhỏ nồng độ CB bão hịa Điều có ý nghĩa lớn thực tế hàm lượng chất clo hữu có nước bị nhiễm nhỏ 3.3.3 Khảo sát sản phẩm cuối trình xử lý Để khảo sát thành phần sản phẩm cuối trình xử lý, chúng tơi phân tích hàm lượng COD bình phản ứng cho 1g vật liệu chứa sắt kích thước nano + 100ml CB bão hòa + 5ml EDTA 0,01M, tiến hành phản ứng pH = Sau khoảng thời gian 120 phút, xác định nồng độ CB (mg/l) các bình phản ứng Kết thu sau: Bảng 9: Bảng so sánh hàm lượng CB lại hàm lượng COD lại Hàm lượng Chỉ tiêu [CB] 500 400 300 200 100 13.69 12.21 9.72 7.77 6.63 COD 289.32 201.35 129.21 79.33 37.63 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 85 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Hiệu xuất xử lý CB Hiệu xuất xử lý COD 120 H(%) 100 80 60 40 20 500 400 300 200 100 [CB] ban đầu mg/l Hình 36: Bảng so sánh hiệu suất xử lý CB COD (sau giờ) Dựa vào kết ta thấy hàm lượng CB sau 120 phút phản ứng lại nhỏ hàm lượng COD cao điều chứng tỏ phản ứng xử lý xảy khơng hồn tồn, sản phẩm q trình xử lý cịn sản phẩm trung gian, giải thích sau: Vật liệu (Fe(0)) + RCl + H2O → RH + ClVật liệu (Fe(0)) + RH + O2 → CO2 + H2O Cơ chế phản ứng 2: Fe0 + O2 + 2H+ → Fe2+ + H2O2 Fe0 + H2O2 → Fe(II) + 2OHFe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH• + OHFe2+ tái sinh lại theo phản ứng: Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 86 - (1) (2) Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + H+ + HO2• Cuối cùng: OH• + RH + HO2• → CO2 + H2O Sản phẩm trung gian Benzen, độc hại CB sau chất có tính độc hại với môi trường cao, thực tế để nâng cao hiệu xử lý đến sản phẩm cuối (CO2, H2O, Cl-) cần tăng thời gian tiếp xúc vật liệu nước bị ô nhiễm CB cách khuấy trộn cung cấp thêm O2 để tăng hiệu suất xử lý triệt để 3.3.4 Xác định khả hấp phụ hợp chất FeOOH Trong trình phản ứng phân hủy hợp chất clo vòng thơm, hợp chất FeOOH sinh dung dịch theo phản ứng sau: RCl + Fe(0) + H+ > RH + Fe2+ + ClFe2+ + O2 + H2O > Fe3+ + OH- + Fe(OH)3 Fe(OH)3 > FeOOH + H2O Chúng tiến hành khảo sát khả hấp phụ của hợp chất FeOOH qua thí nghiệm: Lấy vào bình phản ứng, bình 1g bột sắt + 100 ml dung dịch CB bão hoà, điều chỉnh giá trị pH bình 4, 8, khuấy máy lắc Sau 120 phút, đem lấy đồng thời bình phản ứng hai mẫu dung dịch phản ứng (hút dung dịch khuấy trộn máy khuấy để hút phần bã bao gồm phần bột sắt phần hiđroxit sắt tạo trình phản ứng): - Mẫu 1: Hút khoảng 30 ml dung dịch phản ứng, lọc qua giấy lọc băng vàng để dung dịch khơng có chứa cặn Fe kết tủa Lấy 25ml dung dịch lọc sau triết 5ml n-hexan, đem định lượng CB Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 87 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư - Mẫu 2: Hút 25 ml dung dịch phản ứng có bã triết 5ml nhexan, đem định lượng CB Kết thu sau: Bảng 10 Khả hấp phụ CB FeOOH pH [CB]t (mẫu 1), mg/l 6,45 112,63 100,24 [CB]t (mẫu 2), mg/l 17,25 129,42 133,26 10,8 16,79 33,02 [CB] bị hấp phụ vào FeOOH ([CB]t mẫu - [CB]t mẫu 1) 140 [clobenzen] mg/l 120 100 80 60 Điều kiện 40 Điều kiện 20 pH = pH = pH = Hình 37 So sánh hàm lượng CB (sau phản ứng) pH khác Ta thấy lượng CB mẫu nhỏ mẫu điều kiện phản ứng Điều chứng tỏ CB bị hấp phụ phần vào hợp chất FeOOH sinh trình phản ứng Vậy nhờ có FeOOH sinh q trình phản ứng mà lượng CB bị hấp phụ lượng đáng kể Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 88 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư loại bỏ khỏi dung dịch cách dễ dàng ta lọc bỏ phần bã phản ứng Hàm lượng CB bị hấp phụ lên FeOOH pH = nhỏ pH = cao Có thể giải thích mơi trường trung tính mơi trường kiềm, FeOOH sinh nhiều mơi trường axit Vì khả loại bỏ CB nhờ hấp phụ vào FeOOH môi trường kiềm mơi trường trung tính lớn mơi trường axít Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 89 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết thu đưa kết luận sau:  Phương pháp điện hóa kết hợp siêu âm chế tạo vật liệu sắt có kích thước nano Nếu khơng sử dụng chất hoạt hóa bề mặt, vật liệu bị kết thành đám lớn, có kích thước trung bình khoảng 10 μm Để tránh tượng này, PVP sử dụng làm chất hoạt hóa bề mặt, với hàm lượng 5g/l Vật liệu bổ sung PVP phân tán tốt dung dịch, có kích thước trung bình khoảng 50nm có từ tính mạnh (80emu/g)  Vật liệu sắt chế tạo có khả khử nitrat Các kết thực nghiệm cho thấy phản ứng khử nitrat vật liệu sắt nano chịu ảnh hưởng pH Tại pH khảo sát (pH = 4; 5; 6), phản ứng đạt hiệu tốt pH = (xử lý khoảng 58% sau 60 phút) giảm dần giá trị pH lên Nồng độ nitrat ban đầu lượng Fe0 sử dụng có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu xử lý nitrat Tỉ lệ hàm lượng NO3- Fe0 lần tỉ lệ theo tính tốn lý thuyết cho hiệu khử tốt  Sản phẩm trình khử nitrat amoni, phần tạo thành N2 thể qua tính tốn cân N, đầu 85% đầu vào Do vậy, cần có nghiên cứu để loại bỏ amoni khỏi dung dịch  Vật liệu sắt chế tạo có khả xử lý hợp chất clo hữu (cụ thể CB) Các kết thực nghiệm cho thấy phản ứng xử lý CB vật liệu sắt nano chịu ảnh hưởng pH, pH khảo sát (pH = 2; 4; 7; 8), phản ứng đạt hiệu tốt pH khoảng từ đến (xử lý khoảng 90% CB sau 120 phút) giảm dần giá trị pH tăng nên Hàm lượng vật liệu Fe(0), kích thước hạt vật liệu, hàm lượng CB ban đầu có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu xử lý CB Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 90 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư  Vật liệu chứa sắt kích thước nano có khả xử lý tốt bột sắt có kích thước thường Vật liệu có khả xử lý tốt hợp chất CB song chưa triệt để đến sản phẩm cuối (H2O, CO2) mà dạng trung gian cần có nghiên cứu để nâng cao hiệu xử lý đến sản phẩm cuối cùng; Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 91 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tài liệu tiếng Việt Đặng Đình Bạch (chủ biên), Nguyễn Văn Hải (2006), Giáo trình Hóa học mơi trường, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Hồng Văn Bính (2002), Độc chất học cơng nghiệp dự phòng nhiễm độc, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Minh Hiếu (2008) “Xây dựng hệ chế tạo hạt Fe 3O4 suất cao bước đầu ứng dụng” - Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Lâm Ngọc Thụ;  Trần Hồng Côn;  Trần Ngọc Nữ/ Hội nghị Khoa học Môi trường lần thứ Tuyển tập báo cáo Khoa học - Bộ Quốc phòng; 2004/Số 00 265-269, “Nghiên cứu xử lý DDT đất phương pháp sinh học” Đỗ Thị Cẩm Vân (2007) “Nghiên cứu phân hủy Diclofenac – xúc tác quang hóa kết hợp với siêu âm (TiO2/UV/US)” - Khóa luận tốt nghiệp Khoa Mơi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội B Tài liệu tiếng Anh Alowitz, M.J and Scherer, M.M (2002) Kinetics of nitrate, nitrite, and Cr(VI) reduction by iron metal Environmental Science and Technology, 36, 299–306 C Ruangchainikom, C.H Liao, J Anotai and M.T Lee (2005) “Innovative process using Fe0/CO2 for the removal of nitrate from groundwater” - Water Science and Technology: Water Supply Vol 5, No pp 49–56 Cheng, I.F., Muftikian, R., Fernando, Q and Korte, N (1997) Reduction of nitrate to ammonia by zero-valent iron Chemosphere, 35, 2689–2695 Choe, S., Liljestrand, H.M and Khim, J (2004) Nitrate reduction by zero-valent iron under different pH regimes Applied Geochemistry, 19, 335–342 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 92 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư 10 Christina, E Noradoun, Francis Cheng, 2005 - EDTA Degradation induced by oxygen activation in a zerovalent iron/air/water system Department of chemistry, university of Idaho 11 Derek F Laine, Simon D McAllister, I Francis Cheng, 2007 - Electrochemical characterization of oxygen reduction by FeII [ethylenediaminetetraacetate] Journal of electroanalytical chemistry, p.111-116 12 Environmental Toxicology Section “Nitrate-Health Information” - Oregon Department of Human Services Effects 13 Huang, C.P., Wang, H.W and Chiu, P.C (1998) Nitrate reduction by metallic iron Water research, 32, 2257–2264 14 J Schoeman, and A Steyn (2003) “Nitrate removal with reverse osmosis in a rural area in South Africa” - Desalination, Volume 155, Issue 1, pp 15-26 15 Kuen-Song Lin, Ni-Bin Chang, Tien-Deng Chuang (2008) “Fine structure characterization of zero-valent iron nanoparticles for decontamination of nitrites and nitrates in wastewater and groundwater” – Science and Technology of Advanced Materials , pp 19 (6-I; 2-IV; 6-V) 16 Li, F., Vipulanandan, C., Mohanty, K.K (2003), “Microemulsion and solution approaches to nanoparticle iron production for degradation of trichloroethylene”- Colloid Surf A: Physicochem Eng 223, 103 (8-I; 8-II) 17 R.Boussahel, D.Harik, M.Mammar, S.Lamara-Mohamed “Degradation of absolete DDT by Fenton oxidation with zezo-valen iron Desalination 206 (2007) 369-372 18 Saba Samatya, Nalan Kabay, Ümran Yüksel, Müşerref Arda, Mithat Yüksel (2006) “Removal of nitrate from aqueous solution by nitrate selective ion exchange resins” - Reactive and Functional Polymers, Volume 66, Issue 11, pp 1206-1214 Ngành Khoa học mơi trường khóa 2008 – 2010 - 93 - Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư 19 Shiao-Shing Chen, Hong-Der Hsu, Chi-Wang Li (2004), “A new method to produce nanoscale iron for nitrate removal” - Journal of Nanoparticle Research, pp 639-647 (9-I; 10-II; 6-III; 3-IV;7-V) 20 Sohn, K.; Kang, S W.; Ahn, S.; Woo, M.; Yong, S K (2006), “Fe(0) nanoparticles for nitrate reduction: stability, reactivity, and transformation” - Environmental Science Technology 40, pp 5514– 5519 21 Tielong Li, Lili Sun, Aihong Guo, Shuima Wang, An Yi, Zongming Xiu, Zhaohui Jin (2000) “Reduction of Nitrate in Groundwater with Modified Iron Nanoparticles” – Water Research 40, pp 2508 – 2515 22 Ya Hsuan Liou, Shang-Lien Lo, Chin-Jung Lin, Wen Hui Kuan, Shih Chi Weng (2005) “Chemical reduction of an unbeffered nitrate solution using catalyzed and uncatalyzed nanoscale iron particles” – Journal of Hazardous Materials, pp 102-110 23 Ya Hsuan Liou, Chin Jung Lin, Shih Chi Weng, Hsin Hung Ou, and Shang Lien Lo (2009) “Selective Decomposition of Aqueous Nitrate into Nitrogen Using Iron Deposited Bimetals”- Environmental Science and Technology, Vol 15, No.9 24 Y.H Huang, T.C Zhang (2004) “Effects of low pH on nitrate reduction by iron powder”, Water research 38, pp 2631-2642 25 Young, G C C.; Lee, H L (2005) “Chemical reduction of nitrate by nanosized iron: kinetics and pathways” - Water research, 39, pp 884– 894 26 Zhang, Wang (1997) “Synthesizing Nanoscale Iron Particles for Rapid and Complete Dechlorination of TCE and PCB s” – Environmental Science and Technology, Vol 27 Zhang, W.X (2003) “Nanoscale Iron Particles for Environmental remediation: An overview”- Journal of Nanoparticle Research 5, 323 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010 - 94 - ... Nghiên cứu ứng dụng vật liệu chế tạo xử lý số chất ô nhiễm phổ biến môi trường nước: + Nghiên cứu ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho việc xử lý nitrat nước; + Nghiên cứu ứng dụng vật liệu. .. quát phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước nano 12 1.2 Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường nước 15 1.2.1 Ứng dụng xử lý nitrat 15 1.2.2 Ứng dụng xử lý hợp chất clo... NGHIÊN CỨU 46 2.1 Đối tượng nghiên cứu 46 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1 Phương pháp tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano 49 2.2.2 Ứng dụng vật liệu xử lý nitrat 54 2.2.3 Ứng dụng vật