Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa xeri ứng dụng xử lí sắt trong môi trường nước

LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập rèn luyện Trƣờng Đại Học Lâm Nghiệp thời gian thực tập tốt nghiệp Trung Tâm Thí Nghiệm trƣờng, em hoàn thành đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa Xeri ứng dụng xử lí sắt mơi trƣờng nƣớc” Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Đặng Thị Thúy Hạt, trực tiếp hƣớng dẫn tận tình, ln dành nhiều thời gian, công sức hƣớng dẫn chúng em suốt q trình thực nghiên cứu hồn thành đề tài khóa luận Em xin trân trọng cám ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại Học Lâm Nghiệp, ban giám đốc trung tâm thí nghiệm thực hành Khoa QLTNR & MT tồn thể thầy, giáo cơng tác trƣờng tận tình truyền đạt kiến thức quý báu, giúp đỡ chúng em trình học tập nghiên cứu Em xin cảm ơn thầy giáo mơn Hóa học thầy phịng thí nghiệm, bạn sinh viên làm việc phịng thí nghiệm giúp đỡ em trình nghiên cứu chuyên đề Một lần em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2019 Sinh viên Lê Thành Tôn TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG ==========oOo========== TĨM TẮT KHĨA LUẬN Tên khóa luận: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa Xeri ứng dụng xử lí sắt mơi trƣờng nƣớc” Sinh viên thực hiện: Lê Thành Tôn Giáo viên hƣớng dẫn: ThS Đặng Thị Thúy Hạt Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu chung: Góp phần tìm kiếm vật liệu có khả xử lý nhiễm sắt môi trƣờng nƣớc Mục tiêu cụ thể: - Chế tạo đƣợc vật liệu chứa Ce - Xác định điều kiện tối ƣu thí nghiệm sử dụng vật liệu điều chế đƣợc cho trình xử lý nƣớc chứa sắt Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa Ce Khảo sát điều kiện tối ƣu sử dụng vật liệu chứa Xeri để xử lý sắt nƣớc Thí nghiệm xử lí mẫu nƣớc thực tế thị trấn xuân mai Kết nghiên cứu Đã chế tạo đƣợc hai vật liệu chứa Ce kính cỡ nanomet với thành phần khối lƣợng lần lƣợt 6.46% Sắt với10.44% Ce (vật liệu sấy 100oC) 5.05% Sắt với 7.52% Ce (vật liệu nung 300oC) Thành phần nguyên tử lần lƣợt 2.1% Sắt với 1.35% Ce 1.63% Sắt với 0.97% Ce Đã khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ vật liệu chế tạo đƣợc với thời gian 30 phút, pH (vật liệu 1), pH 13 (vật liệu 2), nhiệt độ 200C, nồng độ mg/l ảnh hƣởng ion cản Mn2+, NO32- Cu2+ đến khả xử lí sắt nƣớc Đã đƣợc thử nghiệm xử lí mẫu nƣớc thực tế song kết chƣa cao Tuy nhiên vật liệu hồn tồn áp dụng trƣờng hợp mơi trƣờng bị nhiễm MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH v LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát vật liệu nano 1.1.1 Công nghệ nano 1.1.2 Vật liệu nano 1.1.3 Sơ lƣợc xeri 1.2 Tổng quan Sắt 1.2.1 Đặc điểm Sắt 1.2.2.Nguyên nhân gây ô nhiễm sắt 11 1.2.3.Ảnh hƣởng sắt ngƣời sinh vật 11 1.3.Một số phƣơng pháp xử lý sắt nƣớc 12 1.3.1.Phƣơng pháp đồng kết tủa 12 1.3.2.Phƣơng pháp trao đổi ion 13 1.3.3.Phƣơng pháp hấp phụ 13 1.3.4 Phƣơng pháp sinh học 14 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1.Đối tƣợng nghiên cứu 15 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 15 2.2.1 Mục tiêu chung 15 2.2.2 Mục tiêu cụ thể 15 2.3 Nội dung nghiên cứu 15 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 15 2.4.1 Hóa chất thiết bị 15 2.4.2.Phƣơng pháp điều chế vật liệu 17 i 2.4.3 Phƣơng pháp phân tích đặc tính vật liệu 18 2.4.4 Phƣơng pháp xác định sắt 22 2.4.5 Phƣơng pháp tính hiệu suất xử lý 23 2.4.6 Khảo sát điều kiện tối ƣu trình hấp phụ sắt với vật liệu 23 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Điều chế vật liệu chứa Xeri 25 3.1.1 Hình dạng vật liệu 25 3.1.2 Xác định thành phần vật liệu phổ EDX 26 3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xử lý sắt nƣớc vật liệu chứa Xeri 27 3.2.1 Ảnh hƣởng pH 27 3.2.2 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng 29 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất ô nhiễm 31 3.2.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng 33 3.2.5 Ảnh hƣởng ion cảnđến hiệu xử lý sắt 34 3.3 Kết xử lý nƣớc ô nhiễm Sắt với mẫu nƣớc thực vật liệu chứa Xeri39 3.3.1 Thử nghiệm xử lí mẫu nƣớc chứa sắt 39 3.3.2 Kết xử lý nƣớc ô nhiễm sắt (III) 40 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Abs Độ hấp thụ quang BĐM Bình định mức EDX Phƣơng pháp đo Phổ tán sắc lƣợng tia X, “EnergyDispersive X-Ray Spectroscopy”, QCVN SEM TCVN UV-VIS Quy chuẩn kĩ thuật Quốc gia Việt Nam Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét, “Scanning Electron Microscope” Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam Phổ tử ngoại khả kiến, “Ultraviolet–visible spectroscopy” iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng.1.1 Một số vật liệu đƣợc tổng hợp phƣơng pháp đồng tạo phức Bảng 1.2 Một số vật liệu đƣợc tổng hợp phƣơng pháp sol-gel citrate Bảng 2.1 Các dụng cụ thiết bị sử dụng q trình thí nghiệm 16 Bảng 2.2 Kết xây dựng đƣờng chuẩn Sắt (III) 22 Bảng 3.1 Phân tích thành phần khối lƣợng, nguyên tố vật liệu 27 Bảng 3.2 Phân tích thành phần khối lƣợng, nguyên tố vật liệu 27 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 28 Bảng 3.4 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu .28 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 30 Bảng 3.6 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 30 Bảng 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 31 Bảng 3.8 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 32 Bảng 3.9 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 33 Bảng 3.10 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu 33 Bảng 3.11 Bảng kết khảo sát ion ảnh hƣởng đến hiệu xử lý sắt vật liệu 35 Bảng 3.12 Bảng kết khảo sát ion ảnh hƣởng đến hiệu xử lý sắt vật liệu 37 Bảng 3.13 Vị trị lấy mẫu 39 Bảng 3.14 Kết xử lý nƣớc ô nhiệm sắt (III) vật liệu 40 Bảng 3.15 Kết xử lý nƣớc ô nhiệm sắt (III) vật liệu 41 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ kính hiển vi đầu dị qt (SPM hay STM) Hình 1.2 Ơ mạng sở CeO2 với cấu trúc kiểu fluorit Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 19 Hình 2.2.Sơ đồ cấu tạo EDX 20 21 Hình 2.3 Ngun lí phép phân tích EDX 21 Hình 2.4 Đƣờng chuẩn Sắt (III) khoảng 0- 6mg/l 23 Hình 3.1 Ảnh chụp SEM vật liệu x60000 25 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM vật liệu x10000 25 Hình 3.3 Ảnh chụp SEM vật liệu x60000 25 Hình 3.4 Ảnh chụp SEM vật liệu x10000 25 Hình 3.5 Giản đồ EDX vật liệu 26 Hình 3.6 Giản đồ EDX vật liệu 26 Hình 3.7 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) 29 Hình 3.8 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) 30 Hinh 3.9 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) 32 Hình 3.10 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng tới hiệu xử lý 34 vật liệu 34 Hình 3.11 Kết khảo sát ion cản hiệu xử lý sắt vật liệu 36 Hình 3.12 Kết khảo sát ion cản hiệu xử lý sắt vật liệu 38 Hình 3.13 Biểu đồ xử lý mẫu nƣớc thực chứa sắt vật liệu 41 Hình 3.14 Biểu đồ xử lý mẫu nƣớc thực chứa sắt vật liệu 42 v LỜI MỞ ĐẦU Trong năm qua kinh tế nƣớc ta có bƣớc phát triển, cấu kinh tế tăng lên theo hƣớng cơng nghiệp hóa đại hóa Tuy nhiên với phát triển kinh tế nảy sinh nhiều vấn đề nghiêm trọng mơi trƣờng đất nƣớc khơng khí, phải kể đến thực trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Nƣớc tài nguyên thiên nhiên vô quý già yếu tố thiếu đƣợc cho hoạt động sống trái đất Nhƣng nguồn nƣớc ngày cạn kiệt nhiều lí khác nhau, có vấn đề nhiễm nguồn nƣớc dịng nƣớc thải ngƣời Một vấn đề đƣợc quan tâm nguồn nƣớc bị nhiễm sắt Các hoạt động công nghiệp hay sinh hoạt ngƣời phát thải số lƣợng lớn Fe3+ vào mơi trƣờng đất nƣớc, tích lũy chuỗi thức ăn cuối tác động tới ngƣời Do đó, nghiên cứu xử lý Fe3+ nƣớc chủ đề nóng đƣợc nhiều quan tâm nghiên cứu Các phƣơng pháp hóa học, hóa - lí để xử lý nƣớc nhƣ: Kết tủa, hấp thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, thẩm thấu ngƣợc , tùy theo yêu cầu cụ thể mà chọn phƣơng pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp Phƣơng pháp hấp phụ biện pháp phổ biến có hiệu để loại bỏ Fe3+ nƣớc, việc sử dụng vật liệu nano Để tổng hợp vật liệu nano sắt có nhiều phƣơng pháp nhƣ đồng kết tủa nhiệt độ phòng, phƣơng pháp gốm truyền thống, phƣơng pháp sol gel đốt cháy gel (với chất trợ gel axit xitric, PVA, etylen glycol) Trong đó, phƣơng pháp đồng kết tủa nhiệt độ thấp tạo vật liệu có độ mịn tính đồng cao, thời gian tạo sản phẩm ngắn, tiết kiệm đƣợc chi phí Vì vậy, tơi tiến hành đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa Xeri ứng dụng xử lí sắt mơi trƣờng nƣớc” CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát vật liệu nano 1.1.1 Công nghệ nano Khái niệm công nghệ nano đƣợc nhắc đến năm 1959 nhà vật lý ngƣời Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả chế tạo vật chất kích thƣớc siêu nhỏ từ q trình tập hợp nguyên tử, phân tử Những năm 1980, nhờ đời hàng loạt thiết bị phân tích, có kính hiển vi đầu dị qt (SPM hay STM) có khả quan sát đến kích thƣớc vài nguyên tử hay phân tử, ngƣời quan sát hiểu rõ lĩnh vực nano Công nghệ nano bắt đầu đƣợc đầu tƣ nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Ra đời hai mƣơi năm, ngành công nghệ non trẻ nhƣng công nghệ nano phát triển với tốc độ chóng mặt [3] Hình 1.1 Sơ đồ kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) Theo Hiệp hội Công nghệ nano Hoa Kỳ (NNI), công nghệ nano chun ngành vật liệu có kích cỡ tối thiểu từ1 đến 100 nanomét (1 tỷ nanomét = mét) Công nghệ nano cho phép thao tác sử dụng vật liệu tầm phân tử, làm tăng tạo tính chất đặc biệt vật liệu, giảm kích thƣớc thiết bị, hệ thống đến mức cực nhỏ Cơng nghệ nano giúp thay hóa chất, vật liệu quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm quy trình gọn nhẹ, tiết kiệm lƣợng, giảm tác động đến môi trƣờng 1.1.2 Vật liệu nano 1.1.2.1 Khái niệm Vật liệu nano khái niệm tƣơng đối rộng, tập hợp nguyên tử kim loại hay phi kim, oxít hay muối … có kích thƣớc khoảng 1-100 nanomet [1] 1.1.2.2 Tính chất vật liệu nano Vật liệu nano khác biệt với vật liệu thông thƣờng vật liệu nano có kích thƣớc vơ nhỏ (chỉ lớn kích thƣớc nguyên tử 1-2 bậc), nên hầu hết nguyên tử tự thể tồn tính chất tƣơng tác với môi trƣờng xung quanh Trong vật liệu thông thƣờng, kích thƣớc lớn nên số nguyên tử nằm bề mặt tham gia tƣơng tác với môi trƣờng, phần lớn nguyên tử nằm sâu bên thể tích vật liệu, bị chắn nên không tham gia tƣơng tác [4] Đặc điểm làm cho vật liệu nano có tính chất khác thƣờng mà vật liệu thơng thƣờng khác khơng có đƣợc nhƣ: [5] [14] - Có diện tích bề mặt lớn nên có khả làm xúc tác cho nhiều q trình hố học - Có thể thay đổi tính chất vật liệu cách thay đổi cấu hình mà khơng cần thay đổi thành phần hố học vật liệu - Do khoảng cách phần tử nhỏ, nên tốc độ tƣơng tác cấu trúc nano nhanh nhiều so với các cấu trúc khác vật liệu thông thƣờng 1.1.2.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano a Phƣơng pháp gốm truyền thống Bản chất phƣơng pháp thực phản ứng pha rắn nhiệt độ cao, sản phẩm thu đƣợc thƣờng dạng bột có kích thƣớc hạt cỡ milimet Từ sản phẩm tiến hành tạo hình thực q trình kết khối thành vật liệu cụ thể Đây phƣơng pháp đƣợc sử dụng lâu đời nhất, nhƣng đƣợc ứng dụng rộng rãi Nhận xét: Tại thời gian phản ứng t= 10 phút 20 phút hiệu suất xử lý vật liệu thấp nhất, đạt 70% Hiệu suất tăng dần thời gian phản ứng tăng dần Sau hiệu suất đạt lớn 90 % thời gian phản ứng 60 phút giảm dần thời gian phản ứng lớn 60 phút (do trình giải hấp) Từ kết ta thấy thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu khoảng 30 đến 60 phút, hiệu suất cao 60 phút với 82% (vật liệu 1) 90% (vật liệu 2) nhƣng không chênh lệch hiệu suất nhiều với thời gian 30 phút (chỉ chênh 2%) Từ ta chọn thời gian ngắn 30 phút thay 60 phút cho thí nghiệm để tiết kiệm thời gian 3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ chất ô nhiễm Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng nồng độ chất ô nhiễm thời gian phản ứng 30 phút, nhiệt độ phản ứng 200C khối lƣợng vật liệu nano sắt 0,01g, pH dung dịch điều chỉnh với vật liệu 1, 13 với vật liệu Kết khảo sát đƣợc tính tốn hiệu suất xử lý nhƣ sau: Bảng 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu Nồng độ Fe3+ trƣớc phản ứng (mg/l) Thời gian phản ứng (phút) Khối lƣợng vật liệu (g) pH dung dịch Nhiệt độ phản ứng (0C) 0,6 30 0,01 20 0,22 63 1,0 30 0,01 20 0,29 71 1,4 30 0,01 20 0,33 76 2,0 30 0,01 20 0,36 82 4,0 30 0,01 20 0,66 83 6,0 30 0,01 20 0,89 85 31 Nồng độ Fe3+ sau Hiệu phản suất (%) ứng (mg/l) Bảng 3.8 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu Nồng độ Fe3+ trƣớc phản ứng (mg/l) 0,6 1,0 1,4 2,0 4,0 6,0 Thời gian phản ứng (phút) Khối lƣợng vật liệu (g) pH dung dịch Nhiệt độ phản ứng (0C) 30 30 30 30 30 30 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 13 13 13 13 13 13 20 20 20 20 20 20 Nồng độ Fe3+ sau Hiệu phản suất (%) ứng (mg/l) 0,31 0,22 0,19 0,24 0,17 0,17 48 78 86 88 96 97 120 100 Hiệu suất 80 60 40 20 0 Nồng độ VL1 VL2 Hinh 3.9 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến hiệu xử lý Sắt (III) Nhận xét: Khi tăng nồng độ đầu sắt hiệu suất hấp phụ tăng dần, nồng độ 0.6 mg/l hiệu suất đạt 63% với vật liệu 1, 48% với vật liệu 2, nhƣng nồng độ 32 tăng lên từ 4-6 mg/l hiệu suất xử lí đạt tốt 96% với vật liệu 85% với vật liệu Từ ta chọn nồng độ tốt mg/l để làm thí nghiệm 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng Tiến hành khảo sát nhiệt độ phản ứng thời gian phản ứng 30 phút, nồng độ chất ô nhiễm ban đầu mg/l, khối lƣợng vật liệu nano sắt 0,01g, pH dung dịch điều chỉnh với vật liệu 1, 13 với vật liệu Kết khảo sát đƣợc tính tốn hiệu suất xử lý nhƣ sau: Bảng 3.9 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu Nhiệt độ phản ứng (0C) pH Thời gian phản ứng (phút) 20 30 0,01 6,0 0,33 94 30 30 0,01 6,0 0,38 94 40 30 0,01 6,0 0,52 91 50 30 0,01 6,0 0,59 90 Khối lƣợng vật liệu (g) Nồng độ Fe3+trƣớc phản ứng (mg/l) Nồng độ Fe3+sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) Bảng 3.10 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu xử lý Sắt (III) vật liệu Nhiệt độ phản ứng (0C) pH Thời gian phản ứng (phút) 20 13 30 0,01 6,0 0,24 96 30 13 30 0,01 6,0 0,31 95 40 13 30 0,01 6,0 0,40 93 50 13 30 0,01 6,0 0,43 93 Khối lƣợng vật liệu (g) Nồng độ Fe3+trƣớc phản ứng (mg/l) Nồng độ Fe3+sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) 33 97 96 Hiệu suất 95 94 93 92 91 90 89 10 20 30 Nhiệt độ 40 50 60 VL1 70 VL2 Hình 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng tới hiệu xử lý vật liệu Dựa vào bảng ta thấy nhiệt độ phản ứng có ảnh hƣởng đến trình hấp phụ sắt hai vật liệu Nhiệt độ phản ứng diễn từ 30 – 500 C hiệu suất xử lý giảm dần Điều đƣợc giải thích tăng nhiệt độ xảy q trình giải hấp hiệu suất xử lý giảm dần Tại nhiệt độ 200 C hiệu suất xử lí cao chọn t = 200 C để làm thí nghiệm 3.2.5 Ảnh hưởng ion cảnđến hiệu xử lý sắt Một yếu tố cản trở hiệu xử lý vật liệu chứa Ce có mặt ion vô cơ, đặc biệt áp dụng với mẫu nƣớc thực tế ln có mặt ion vơ muối hịa tan nồng độ khác Trong nội dung nghiên cứu này, ion vơ ảnh hƣởng lớn tới q trình hấp phụ vật liệu chứa Ce bao gồm: Cu2+, Mn2+, NO32- đƣợc khảo sát giá trị nồng độ cao, nhiệt độ trình phản ứng 200 C, nồng độ pH tối ƣu với vật liệu 13 với vật liệu 2, khối lƣợng vật liệu xử lý 0,01g Tính tốn hiệu suất hấp phụ vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: 34 Bảng 3.11 Bảng kết khảo sát ion ảnh hƣởng đến hiệu xử lý sắt vật liệu STT Hàm Ion Nồng độ Abs Nồng độ sau Hiệu suất (%) lƣợng ion phản ứng Fe3+ (mg/l) (mg/l) (mg/l) 6 Cu 0.013 0.3326 94 0.015 0.3794 94 0.02 0.4965 92 10 0.024 0.5902 90 15 0.029 0.7073 86 20 0.036 0.8712 85 0.015 0.3794 94 0.017 0.4262 93 0.024 0.5902 90 10 0.03 0.7307 88 15 0.035 0.8478 86 20 0.04 0.9649 84 0.014 0.3560 94 0.019 0.4731 92 0.021 0.5199 91 10 0.028 0.6838 89 15 0.039 0.9415 84 20 0.042 0.0117 83 2+ Mn2+ NO32- 35 96 94 Hiệu suất 92 90 Cu2+ 88 Mn2+ NO3- 86 84 82 10 15 20 25 Nồng độ ion cản Hình 3.11 Kết khảo sát ion cản hiệu xử lý sắt vật liệu 36 Bảng 3.12 Bảng kết khảo sát ion ảnh hƣởng đến hiệu xử lý sắt vật liệu STT Hàm Ion Nồng độ Abs Nồng độ sau Hiệu suất (%) lƣợng ion phản ứng Fe3+ (mg/l) (mg/l) (mg/l) 6 Cu 0.01 0.2623 96 0.014 0.3560 94 0.017 0.4262 93 10 0.025 0.6136 90 15 0.029 0.7073 88 20 0.037 0.8946 85 0.009 0.2389 96 0.012 0.3091 95 0.021 0.5199 91 10 0.034 0.6838 89 15 0.039 0.8244 86 20 0.04 0.9415 84 0.008 0.2154 96 0.016 0.4028 93 0.019 0.4731 92 10 0.025 0.6136 90 15 0.034 0.8244 86 20 0.039 0.9415 84 2+ Mn2+ NO32- 37 98 96 94 Hiệu suất 92 Cu2+ 90 Mn288 NO3- 86 84 82 10 15 20 25 Nồng độ ion cản Hình 3.12 Kết khảo sát ion cản hiệu xử lý sắt vật liệu Kết thu đƣợc hình cho thấy có mặt ion vơ làm ảnh hƣởng đến trình xử lý vật liệu, phụ thuộc vào chất ion nồng độ chúng: Với nồng độ thấp, ion không gây cản trở lớn tới trình xử lý, nồng độ ion cản lớn, hiệu xử lý giảm Với vật liệu 1, nồng độ ion Mn2+, NO32-và ion Cu2+ mg/l hiệu suất xử lý nƣớc nhiễm 94% Nồng độ ion tăng lên 20 mg/l hiệu suất xử lý giảm lần lƣợt 84, 83 85% với ion Mn2+, NO32-và ion Cu2+ Với vật liệu 2, nồng độ ion Mn2+, NO32-và ion Cu2+ mg/l hiệu suất xử lý nƣớc nhiễm 96% Nồng độ ion tăng lên 20 mg/l hiệu suất xử lý giảm tƣơng tự với vật liệu lần lƣợt 84 85% với ion Mn2+, NO32- ion Cu2+ Nhƣ nồng độ ion Mn2+, NO32- ion Cu2+ nƣớc cao làm giảm khả hấp phụ sắt vật liệu 38 3.3 Kết xử lý nƣớc ô nhiễm Sắt với mẫu nƣớc thực vật liệu chứa Xeri 3.3.1 Thử nghiệm xử lí mẫu nước chứa sắt Phƣơng pháp lấy mẫu bảo quản mẫu dựa theo TCVN 6663-3: 2008 (ISO 5667-3: 2003): Tiêu chuẩn Quốc gia chất lƣợng nƣớc - lấy mẫu - phần 3: hƣớng dẫn bảo quản xử lý mẫu [11] Mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy qua vòi bơm nên cần xả bỏ phần nƣớc ban đầu từ đến phút, sau lấy mẫu đựng chai nhựa PE Mẫu nƣớc ngầm dùng để khảo sát khả hấp phụ vật liệu đƣợc lấy thị trấn Xuân Mai Bảng 3.13 Vị trị lấy mẫu STT Vị trí lấy mẫu Độ sâu(M) Ký hiệu Xuân Mai Làng 30 GK1 Xuân mai làng 30 GK2 Cổng trƣờng c3 xuân mai 45 GK3 Chợ xuân mai 40 GK4 Cổng ĐHLN 45 GK5 Đầu đƣờng Z119 35 GK6 Ngã tƣ xuân mai 45 GK7 Xuân mai làng 35 GK8 Xuân mai làng 30 GK9 10 Xuân mai làng 30 GK10 39 3.3.2 Kết xử lý nước ô nhiễm sắt (III) - Nhƣ sau tiến hành đo hàm lƣợng sắt 200 ml mẫu thực tế Tôi tiến hành tính tốn khối lƣợng vật liệu cần để xử lí cho mẫu nƣớc theo cơng thức: Trong đó: C1: nồng độ tối ƣu q trình khảo sát (mg/l) C2: nồng độ ban đầu mẫu thực (mg/l) m1: khối lƣợng vật liệu trình khảo sát (g) m2: khối lƣợng vật liệu cần để xử lí mẫu (g) Bảng 3.14 Kết xử lý nƣớc ô nhiệm sắt (III) vật liệu Mẫu GK1 GK2 GK3 GK4 GK5 GK6 GK7 GK8 GK9 GK10 Khối Lƣợng vật liệu xử lý (g) 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 Nhiệt độ phản ứng (0C) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 pH dung dịch 7 7 7 7 7 40 Thời gian phản ứng (phút) 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Nồng độ Fe3+ ban đầu (mg/l) 0,0899 0,0806 0,0712 0,0806 0,0807 0,0947 0,0900 0,0994 0,0946 0,0899 Nồng độ Fe3+ Hiệu sau xử suất xử lý lý (%) (mg/l) 0,0337 63 0,0384 52 0,0384 46 0,0384 52 0,0337 58 0,0337 64 0,0337 63 0,0290 71 0,0290 69 0,0337 63 Nồng độ Fe3+ ban đầu Nồng độ Fe3+ sau xử lý Hiệu suất xử lý (%) 0.12 80 70 0.10 Nồng độ (mg/l) 0.08 50 0.06 40 Hiệu suất (%) 60 30 0.04 20 0.02 10 0.00 STT GK1 GK2 GK3 GK4 GK5 GK6 GK7 GK8 GK9 GK10 Hình 3.13 Biểu đồ xử lý mẫu nước thực chứa sắt vật liệu Bảng 3.15 Kết xử lý nƣớc ô nhiệm sắt (III) vật liệu Mẫu GK1 GK2 GK3 GK4 GK5 GK6 GK7 GK8 GK9 GK10 Khối Lƣợng vật liệu xử lý (g) 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 Nhiệt độ phản ứng (0C) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 pH dung dịch 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 41 Thời gian phản ứng (phút) 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Nồng độ Fe3+ ban đầu (mg/l) 0,0899 0,0806 0,0712 0,0806 0,0807 0,0947 0,0900 0,0994 0,0946 0,0899 Nồng độ Fe3+ Hiệu sau xử suất xử lý lý (%) (mg/l) 0,0244 73 0,0337 58 0,0337 53 0,0290 64 0,0337 58 0,0197 79 0,0244 73 0,0244 75 0,0244 74 0,0290 68 Nồng độ trƣớc xử lý Nồng độ sau xử lý Hiệu suất (%) 0.12 90 80 0.10 0.08 60 50 0.06 40 0.04 Hiệu suất (%) Nồng độ (mg/l) 70 30 20 0.02 10 0.00 GK1 GK2 GK3 GK4 GK5 GK6 GK7 GK8 GK9 GK10 Hình 3.14 Biểu đồ xử lý mẫu nước thực chứa sắt vật liệu Nhận xét: Từ kết khảo sát vật liệu tổng hợp xử lí đƣợc mẫu nƣớc chứa sắt nhiên khơng đƣợc cao Có thể dễ thấy so với mẫu nƣớc nhiễm tự tạo phịng thí nghiệm xử lý tốt mẫu thực hàm lƣợng ion cản mẫu thực thực tế cao, nồng độ chất ô nhiễm mẫu thực tế cao so với mẫu phịng thí nghiệm nhiều Theo QCVN 01: 2009/BYT nồng độ tiêu chuẩn tối đa cho phép hàm lƣợng Sắt tổng số (Fe2+ + Fe3+) nƣớc ăn uống 0.3 mg/l nhƣ tất mẫu nƣớc nằm khoảng quy chuẩn cho phép nên khơng thiết phải xử lí Fe3+ mẫu nƣớc Nói cách khác mẫu nƣớc đƣợc lấy thị trấn Xuân Mai đạt chuẩn sử dụng cho mục đích sinh hoạt, ăn uống Cịn với vật liệu cho thấy hiệu định hồn tồn xử lí sắt mẫu nƣớc 42 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu hồn thành đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano chứa Ce, ứng dụng xử lý ô nhiễm sắt môi trường nước”, em thu đƣợc kết nhƣ sau: Đã chế tạo đƣợc hai vật liệu chứa Xeri kính cỡ ≤ 500 nanomet với thành phần khối lƣợng lần lƣợt 6.46% Sắt với 10.44% Ce (vật liệu 1) 5.05% Sắt với 7.52% Ce (vật liệu 2) Thành phần nguyên tử lần lƣợt 2.1% Sắt với 1.35% Ce (vật liệu 1) 1.63% Sắt với 0.97% Ce (vật liệu 2) Đã khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ vật liệu chế tạo đƣợc cho kết quả: Với Fe3+ nồng độ pH tối ƣu với vật liệu pH 13 với vật liệu 2, thời gian phản ứng đạt cân hấp phụ 30 phút, nồng độ đầu 4-6 mg/l, khảo sát đƣợc ảnh hƣởng ion cản Mn2+, NO32- Cu2+ ta thấy nồng độ ion cao làm giảm đến tính hấp phụ sắt nƣớc vật liệu Từ kết khảo sát hiệu xử lý vật liệu chứa xeri với mẫu thực không đƣợc cao Tuy nhiên vật liệu hồn tồn áp dụng trƣờng hợp môi trƣờng nƣớc bị bị ô nhiễm TỒN TẠI Với mong muốn chế tạo đƣợc vật liệu dạng tinh thể với công thức Fe2CeO5 nhƣng vật liệu tổng hợp đƣợc đạt đƣợc tỉ lệ Fe/Ce 2/1, nên hiệu xử lí với mẫu thực chƣa cao Nghiên cứu ion ảnh hƣởng thực tế ảnh hƣởng đồng thời ion có mặt muối chƣa phải ảnh hƣởng ion riêng lẻ 3.KIẾN NGHỊ Cần nghiên cứu thêm quy trình chế tạo vật liệu để đạt đƣợc công thức nhƣ mong muốn để nâng cao hiệu xứ lí sắt, nhƣ ảnh hƣởng ion cản 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh (2004), Cơng nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử, NXBKH&KT, Hà Nội Nguyễn Xuân Dũng (2009), Nghiên cứu tổng hợp perovskit hệ lantan cromit lantan manganit phương pháp đốt cháy, Luận án tiến sĩ Hóa học, Hà Nội La Vũ Thùy Linh (2010), Công nghệ nano- cách mạng khoa học kỹ thuật kỷ 21 Vũ Thế Ninh (2009), Điều chế NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet định hướng ứng dụng, Luận văn thạc sĩ Khoa học, Hà Nội Ngụy Hữu Tâm (2004), Công nghệ nano hiên trạng, thách thức siêu ý tưởng, NXBKHKT, Hà Nội Đỗ Kiên Trung (2011), Nghiên cứu tổng hợp perovskit LaFeO3 phương pháp đốt cháy gel vàđánh giá khả xúc tác oxi hóa CO, hấp phụ Asen, Sắt, Mangan Luận văn Thạc sĩ Hóa học, ĐHSP Thái Nguyên Đỗ Quang Trung, Nguyễn Trọng Uyển (2008), “Nghiên cứu sử dụng than hoạt tính cố định Zr(IV) loại bỏ ion photphat florua nƣớc thải Công ty cổ phần Phân lân Ninh Bình”, Tạp chí Hóa Học, (46), tr.15-16 Phan Văn Tƣờng (2004), Các phương pháp chế tạo vật liệu gốm, ĐHKHTNĐHQGHN Phan Văn Tƣờng (1998), Vật liệu vô cơ, ĐHKHTN-ĐHQGHN 10 QCVN 09:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia chất lƣợng nƣớc dƣới đất 11 TCVN 6663-3: 2008 (ISO 5667-3: 2003): Tiêu chuẩn Quốc gia chất lƣợng nƣớc - lấy mẫu - phần 3: hƣớng dẫn bảo quản xử lý mẫu 12 TCVN 6177:1996 (ISO 6332: 1988) chất lƣợng nƣớc - xác định sắt phƣơng pháp trắc quang dùng thuốc thử 1.10-phenantrolin Tiếng anh 13 David Jenkins, John F Ferguson and Arnold B Menar (1971),“Chemical prosesses for photphate removal” Vol 5, pp 369 –389 14 K J Klabunde (1994), Free Antoms, Clusters and nanoparticles, Academic press, San Diego 15 Rao C N R (1993), “Chemical synthesis of solid inorganic materials”, Materials science and engineering B, 18(1), pp 1-21 16 Seyfia B, Baghalha M, Kazemian H (2009), “Modified LaCoO3 nanoperovskite catalysts for the automotive CO oxidation”, Chemical Engineering journal, 148, pp 306-311