Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lantan ferit lafeo3, ứng dụng xử lý ô nhiễm sắt trong nước

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Vũ Huy Định thầy Đặng Thế Anh, tận tình hƣớng dẫn em suốt trình viết Báo cáo tốt nghiệp Em chân thành cảm ơn quý thầy (cô) khoa Quản lý tài nguyên rừng môi trƣờng, Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp tận tình truyền đạt kiến thức năm em học tập Với vốn kiến thức đƣợc tiếp thu q trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn hành trang quý báu để em áp dụng vào thực tế cách vững tự tin Em xin trân trọng cảm ơn Trung tâm phân tích mơi trƣờng ứng dụng công nghệ địa không gian tạo điều kiện giúp đỡ em trình thực nghiên cứu Tuy có nhiều cố gắng, nhƣng báo cáo tốt nghiệp khơng tránh khỏi có thiếu sót Em kính mong Q thầy cơ, chun gia, ngƣời quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình bạn bè tiếp tục có ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài đƣợc hồn thiện Hà Nội, tháng năm 2019 Phạm Thị Phƣơng Nga TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên khóa luận tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO LANTAN FERIT LaFeO3, ỨNG DỤNG XỬ LÝ Ô NHIỄM SẮT TRONG NƢỚC” Giáo viên hƣớng dẫn: TS Vũ Huy Định ThS Đặng Thế Anh Sinh viên thực hiện: Phạm Thị Phƣơng Nga– K60A – KHMT Mục tiêu nghiên cứu 4.1 Mục tiêu chung Góp phần điều chế vật liệu có khả xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc phƣơng pháp hấp phụ 4.2 Mục tiêu cụ thể - Điều chế vật liệu Lantan ferit LaFeO3 có kích cỡ nanomet - Xác định điều kiện thí nghiệm sử dụng vật liệu điều chế đƣợc cho trình xử lý nƣớc chứa sắt Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu vật liệu Lantan Ferit (LaFeO3) mẫu nƣớc chứa sắt Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích cỡ nanomet từ muối lantan muối sắt - Nghiên cứu số yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu xử lý nƣớc ô nhiễm sắt vật liệu chứa sắt kích cỡ nanomet - Nghiên cứu khả xử lý sắt nƣớc mẫu thực vật liệu chứa sắt kích cỡ nanomet Phƣơng pháp nghiên cứu - Hóa chất sử dụng - Thiết bị sử dụng - Phƣơng pháp phân tích đặc tính vật liệu - Phƣơng pháp phân tích phịng thí nghiệm - Phƣơng pháp tính hiệu suất xử lý MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC HÌNH ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu vật liệu nano LaFeO3 1.2.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu perovskite LaFeO3 1.2.2 Tính chất vật liệu Perovskite 1.2.3 Phƣơng pháp sol-gel điều chế vật liệu 1.2.4 Vật liệu nano 1.2 Ô nhiễm sắt phƣơng pháp xử lý 1.2.1 Sơ lƣợc ô nhiễm sắt 1.2.2 Xử lý ô nhiễm sắt 10 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 13 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 13 2.1.1 Mục tiêu chung 13 2.1.2 Mục tiêu cụ thể 13 2.2 Nội dung nghiên cứu 13 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 13 2.3.1 Hóa chất sử dụng 13 2.3.2 Thiết bị sử dụng 15 2.3.3 Phƣơng pháp phân tích phịng thí nghiệm 16 2.3.4 Phƣơng pháp phân tích đặc tính vật liệu 20 2.3.5 Phƣơng pháp tính hiệu suất xử lý 23 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24 3.1 Điều chế vật liệu Lantan ferit 24 3.1.1 Quy trình điều chế vật liệu 24 3.1.2 Hình thái vật liệu Lantan ferit 25 3.1.3 Thành phần hóa học vật liệu 26 3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý sắt nƣớc vật liệu LaFeO3 27 3.2.1 Ảnh hƣởng pH 27 3.2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng 28 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ chất ô nhiễm 30 3.2.4 Ảnh hƣởng thể tích mẫu 31 3.2.5 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng 32 3.3 Khả xử lý sắt với mẫu nƣớc ngầm vật liệu LaFeO3 33 3.3.1 Các thông số môi trƣờng mẫu nƣớc ngầm thử nghiệm 33 3.3.2 Xử lý nƣớc ô nhiễm sắt vật liệu LaFeO3 35 KẾT LUẬN VÀ TỒN TẠI 38 KẾT LUẬN 38 TỒN TẠI 38 KIẾN NGHỊ 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐM Bình định mức TCVN Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam QCVN Quy chuẩn kĩ thuật Quốc gia Việt Nam BYT Bộ y tế BTNMT Bộ tài nguyên môi trƣờng Abs Độ hấp thụ quang SEM Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét, “Scanning Electron Microscope” EDX, EDS Phƣơng pháp đo Phổ tán sắc lƣợng tia X, “EnergyDispersive X-Ray Spectroscopy”, UV-VIS Phổ tử ngoại khả kiến, “Ultraviolet–visible spectroscopy” i DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể perovskite ABO3 lý tƣởng [13] Hình 2.1 Hóa chất LaCl3.7H2O 14 Hình 2.2 Hóa chất Fe(NO3)3.9H2O 14 Hình 2.3 Đƣờng chuẩn sắt (III) 17 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 21 Hình 3.1 Quá trình khuấy tạo gel 24 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM vật liệu x10000 25 Hình 3.3 Ảnh chụp SEM vật liệu x3000 25 Hình 3.4 Giản đồ phân tích phổ EDX vật liệu LaFeO3 26 Hình 3.5 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất xử lý sắt (III) 28 Hình 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) 29 Hình 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu suất xử lý sắt (III) 31 Hình 3.8 Kết xử lý nƣớc ô nhiễm sắt vật liệu LaFeO3 36 ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các dụng cụ thiết bị sử dụng q trình thí nghiệm 15 Bảng 2.2 Kết xây dựng đƣờng chuẩn sắt (III) 16 Bảng 3.1 Kết xác định thành phần nguyên tố vật liệu 27 Bảng 3.2 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất xử lý sắt (III) 27 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) 29 Bảng 3.4 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu suất xử lý sắt (III) 30 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng thể tích mẫu đến hiệu suất xử lý sắt (III) 31 Bảng 3.6 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) 32 Bảng 3.7 Kết phân tích số tiêu nƣớc ngầm 34 Bảng 3.8 Xử lý nƣớc ô nhiễm sắt 35 iii LỜI MỞ ĐẦU Ô nhiễm nƣớc vấn đề nóng bỏng mối quan tâm hàng đầu giới Các chất ô nhiễm tồn nƣớc hai dạng tan không tan nhƣ chất hữu cơ, hợp chất nitơ, kim loại nặng, Tại Việt Nam, nƣớc ngầm đƣợc sử dụng làm nguồn nƣớc sinh hoạt nhiều cộng đồng dân cƣ Sự có mặt ion sắt nƣớc ngầm nhiều khu vực, vùng nông thôn Việt Nam gây nguy cho sức khỏe ngƣời mơi trƣờng Vì cần phải tìm giải pháp nhằm loại bỏ ion sắt khỏi nguồn nƣớc ngầm để bảo vệ sức khỏe ngƣời dân nhƣ cải thiện chất lƣợng môi trƣờng nƣớc Hiện nay, giới Việt Nam áp dụng nhiều phƣơng pháp xử lý sắt nhƣ: hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, lắng lọc, thẩm thấu ngƣợc, điện thẩm tích, Trong có nhiều cơng trình thành cơng việc sử dụng vật liệu nhƣ đá ong biến tính, nano cacbon, để xử lý sắt Các phƣơng pháp có ƣu, nhƣợc điểm hiệu xử lý sắt khác Tuy nhiên, phƣơng pháp hấp phụ đƣợc sử dụng rộng rãi tính kinh tế hiệu Với mong muốn sử dụng vật liệu nano chứa sắt để xử lý ion độc hại nƣớc, mang lại hiệu sử dụng nhƣ hiệu kinh tế, em thực đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Lantan ferit LaFeO3, ứng dụng xử lý ô nhiễm sắt nước” CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu vật liệu nano LaFeO3 Ngày nay, vật liệu nano LaFeO3 chúng có tính chất ƣu việt so với vật liệu dạng khối nên đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ: Điện tử, hấp phụ ion kim loại nặng chất lỏng , cảm biến nhạy cồn… thu hút đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Vật liệu nano LaFeO3 đƣợc nghiên cứu nhiều cho mục đích làm chất xúc tác cho phản ứng oxi hóa phần hidrocacbon, CO, NOx, m-xylen…[13] 1.2.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu perovskite LaFeO3 Các hợp chất vơ có cơng thức cấu tạo tổng qt ABO3 A nguyên tố đất thuộc họ lantanide (A = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) B kim loại chuyển tiếp (Mn, Co, Fe, ) có cấu trúc tinh thể dạng Perovskite Trƣờng hợp chung, bán kính cation A lớn bán kính cation B Cấu trúc Perovskite ABO3 lý tƣởng có dạng lập phƣơng (hình 1.2a), với thông số ô mạng sở thỏa mãn: a = b = c α = β = γ = 90o Cation lanthanide A nằm đỉnh, anion O2- nằm vị trí tâm mặt hình lập phƣơng, cịn tâm hình lập phƣơng vị trí cation B [13] Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể perovskite ABO3 lý tƣởng [13] Ngoài ra, mơ tả cấu trúc tinh thể Perovskite lý tƣởng dƣới dạng xếp bát diện tạo anion oxi (hình 1.2b) Trong trƣờng hợp cation B nằm vị trí hốc bát diện, tâm hình lập phƣơng tạo cation B lân cận vị trí cation A Từ hình 1.2b thấy góc liên kết B - O - B 1800 độ dài liên kết B - O theo phƣơng Dƣới tác dụng điều kiện bên nhƣ nhiệt độ, tạp chất, từ trƣờng, áp suất, cấu trúc Perovskite lý tƣởng bị biến dạng Cấu trúc Perovskite không cịn dạng lập phƣơng lý tƣởng dẫn tới góc liên kết B - O - B khác 1800 , đồng thời độ dài liên kết B - O theo phƣơng khác khác Chính thay đổi cấu trúc mạng tinh thể Perovskite mà tính chất đối xứng, tính chất điện từ vật liệu bị thay đổi Đặc biệt có lẫn loại cation kim loại khác với tỉ lệ hợp thức khác tạo loại hợp chất có tính chất riêng biệt có ứng dụng khác sản xuất đời sống, hƣớng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm 1.2.2 Tính chất vật liệu Perovskite 1.2.2.1 Tính chất dẫn điện Cấu trúc điện tử hệ vật liệu Perovskite đất kim loại chuyển tiếp (LnMO3) phụ thuộc vào tƣơng tác ion kim loại chuyển tiếp 3d (M) ion O2- Độ dẫn điện đƣợc điều khiển: là, lựa chọn kim loại chuyển tiếp 3d (M) khác để thay đổi cấu hình điện tử d n (n thay đổi) ion kim loại; hai là, pha tạp (ví dụ, thay phần kim loại hóa trị vào ví trí Ln M) dẫn đến thay đổi hóa trị ion kim loại chuyển tiếp 3d.[14] 1.2.2.2 Tính chất hấp thụ khí Vật liệu Perovskite thể tính hấp thụ khí bề mặt, ví dụ nhƣ số khí CO, NOx O2 Tính chất hấp thụ khí O2 vật liệu oxit Perovskite quan trọng liên quan đến tính chất xúc tác tính chất nhạy khí Vật liệu LaMO3 (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) có tính chất hấp thụ khí oxy cực đại với vật liệu có Mn Co LaFeO3 có tính hấp thụ thuận nghịch tốt so với hợp chất kim loại chuyển tiếp 3d khác Hệ LnFeO3 (Ln = La, Nd, Sm, Gd Dy) nhận thấy Nhƣ vậy, vật liệu tổng hợp đƣợc có kích thƣớc hạt nano mang lại nhiều ứng dụng thực tế 3.1.3 Thành phần hóa học vật liệu Phổ tán xạ lƣợng tia X phƣơng pháp định tính xác để xác định thành phần nguyên tố có mặt vật liệu rắn Bên cạnh đó, định lƣợng đƣợc thành phần nguyên tố nặng có số hiệu nguyên tử Z > 10 Các kết phân tích thành phần hóa học đá ong trƣớc sau biến tính phổ tán xạ lƣợng tia X, thành phần phức đƣợc xác định phƣơng pháp phân tích hàm lƣợng nguyên tố C, O, N qua giản đồ hình 3.4 Hình 3.4 Giản đồ phân tích phổ EDX vật liệu LaFeO3 Từ giản đồ phân tích nguyên tố kết tính thành phần % nguyên tố thu đƣợc từ máy phân tích Các số liệu so sánh hàm lƣợng LaFeO sau phân hủy phức, phân tích nguyên tố thành phần phần trăm nguyên tố có phức 26 Bảng 3.1 Kết xác định thành phần nguyên tố vật liệu Thành phần khối lƣợng (%) Thành phần nguyên tử (%) Nguyên tố C 7,91 19,50 O 22,43 41,51 Na 12,29 15,83 Cl 11,21 9,36 Fe 12,45 6,60 La 33,72 7,19 Tổng 100 100 Kết cho thấy thành phần vật liệu nano sắt có chứa La 7,19%, Fe 6,6% O 41,51% 3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý sắt nƣớc vật liệu LaFeO3 3.2.1 Ảnh hưởng pH pH dung dịch yếu tố có ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng pH giá trị thể bảng 3.2, với thời gian phản ứng 90 phút, nhiệt độ phản ứng 20 0C, nồng độ chất ô nhiễm ban đầu mg/l, khối lƣợng vật liệu 0,01g, thể tích mẫu 50ml Kết khảo sát đƣợc tính tốn hiệu suất xử lý nhƣ sau: Bảng 3.2 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất xử lý sắt (III) Nhiêt độ Nồng độ phản ứng sắt trƣớc (0C) phản ứng (mg/l) Nồng độ sắt sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) dung dịch Thời gian phản ứng (phút) 90 20 1,0 0,75 25 90 20 1,0 0,57 43 90 20 1,0 0,45 55 90 20 1,0 0,42 67 90 20 1,0 0,43 57 90 20 1,0 0,89 11 pH 27 80 70 67 60 57 Hiệu suất (%) 55 50 43 40 30 25 20 11 10 pH Hình 3.5 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất xử lý sắt (III) Hiệu suất xử lý vật liệu chứa sắt tăng dần từ pH = đến pH = 5, pH = hiệu suất xử lý cao nhất, đạt 67%, pH > hiệu suất hấp phụ giảm dần Ở pH thấp, hiệu suất hấp phụ tăng khơng đáng kể, điều đƣợc giải thích có cạnh tranh ion H+ với ion kim loại pH = hiệu suất hấp phụ đạt tối ƣu 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng Tiến hành khảo sát nhiệt độ phản ứng thời gian phản ứng 90 phút, nồng độ chất ô nhiễm bạn đầu mg/l, khối lƣợng vật liệu nano sắt 0,01g, pH dung dịch điều chỉnh 5, thể tích mẫu 50ml Kết khảo sát đƣợc tính tốn hiệu suất xử lý nhƣ sau: 28 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) Nhiệt độ phản ứng pH ( C) Thời Khối gian lƣợng phản vật liệu ứng LaFeO3 (phút) (g) Nồng độ Nồng độ Fe3+trƣớc Fe3+sau phản ứng phản ứng Hiệu suất (mg/l) (mg/l) (%) 20 90 0,01 1,0 0,45 55 30 90 0,01 1,0 0,63 37 40 90 0,01 1,0 0,65 35 50 90 0,01 1,0 0,68 32 60 90 0,01 1,0 0,81 19 70 60 50 40 Nhiệt độ phản ứng (0C) 30 Hiệu suất (%) 20 10 Hình 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) 29 Dựa vào hình 3.6 ta thấy nhiệt độ phản ứng 200C hiệu suất xử lý đạt cao 55% Nhiệt độ phản ứng diễn từ 30 – 500C hiệu suất xử lý đạt 32 - 37% Do điều kiện giải hâp nhiệt độ tăng hiệu suất xử lý vật liệu giảm dần, 600C hiệu suất xử lý 19% Điều phù hợp với quy luật hấp phụ, khả hấp phụ giảm hay bị giải hấp tang nhiệt độ 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 90 phút, nhiệt độ phản ứng 200C, khối lƣợng vật liệu 0,01g, pH dung dịch điều chỉnh 5, thể tích mẫu 50ml Kết khảo sát đƣợc tính tốn hiệu suất xử lý nhƣ sau: Bảng 3.4 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu suất xử lý sắt (III) Nồng độ Thời Khối gian lƣợng vật phản liệu ứng LaFeO3 (phút) (g) 0,2 90 0,01 20 0,13 37 0,6 90 0,01 20 0,24 60 1,0 90 0,01 20 0,33 67 1,4 90 0,01 20 0,82 41 2,0 90 0,01 20 1,36 32 4,0 90 0,01 20 3,47 13 6,0 90 0,01 20 5,63 Fe3+ trƣớc phản ứng mg/l) Nồng độ pH dung dịch Nhiệt độ Fe3+ sau phản phản ứng (0C) ứng Hiệu suất (%) (mg/l) 30 80 70 Hiệu suất (%) 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.6 1.4 Nồng độ sắt (III) (mg/l) Hình 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch đến hiệu suất xử lý sắt (III) Nhận xét: Tại nồng độ Fe3+ < 0,6 mg/l khả xử lý vật liệu nano sắt bị hạn chế Nồng độ từ 0,6 – 1,0 mg/l với 0,01g vật liệu/100 ml nƣớc ô nhiễm, hiệu suất xử lý đạt tốt Nồng độ > 1,4g/ml hiệu suất xử lý lƣợng vật liệu xử lý hay lƣợng sắt nhiều 3.2.4 Ảnh hưởng thể tích mẫu Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng thể tích mẫu thời gian phản ứng 90 phút, nhiệt độ phản ứng 200C, khối lƣợng vật liệu nano sắt 0,01g/V ml chất ô nhiễm, pH dung dịch điều chỉnh 5, nồng độ chất ô nhiễm ban đầu (mg/l) Kết khảo sát đƣợc tính toán hiệu suất xử lý nhƣ sau: Bảng 3.5 Ảnh hƣởng thể tích mẫu đến hiệu suất xử lý sắt (III) pH dung dịch Khối lƣợng vật liệu LaFeO3 (g) Thời gian phản ứng (phút) Nồng độ Fe3+trƣớc phản ứng (mg/l) Nồng độ Fe3+sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) 50 0,01 90 1,0 0,45 55 100 0,01 90 1,0 0,83 18 250 0,01 90 1,0 0,85 15 500 0,01 90 1,0 0,94 1000 0,01 90 1,0 0,98 Thể tích mẫu (ml/g) 31 60 50 Hiệu suất (%) 40 30 20 10 50 100 250 500 1000 Thể tích (ml) Hình 3.8 Ảnh hƣởng thể tích mẫu đến hiệu suất xử lý sắt (III) Ở điều kiện phản ứng, thể tích mẫu cao hiệu suất xử lý vật liệu LaFeO3 giảm Do khối lƣợng vật liệu nhƣ nhau, thể tích lớn hiệu suất xử lý vật liệu giảm Cao V = 50ml với hiệu suất xử lý 55% thấp V = 1000ml cho hiệu suất xử lý không đáng kể 3.2.5 Ảnh hưởng thời gian phản ứng Khảo sát thời gian phản ứng với điều kiện nhƣ sau: nhiệt độ phản ứng 200C; pH dung dịch 5; khối lƣợng vật liệu xử lý 0,01g; nồng độ chất ô nhiễm ban đầu mg/l, thể tích mẫu 50ml Kết khảo sát đƣợc tính tốn nhƣ bảng sau: Bảng 3.6 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) Thời gian phản ứng t (phút) Nhiệt độ Khối lƣợng phản ứng vật liệu (0C) LaFeO3 (g) pH dung dịch Nồng độ Nồng độ Fe3+trƣớ Fe3+sau Hiệu c phản phản suất (%) ứng ứng (mg/l) (mg/l) 10 0,01 20 1,0 0,64 36 30 0,01 20 1,0 0,50 50 60 0,01 20 1,0 0,45 55 90 0,01 20 1,0 0,38 62 120 0,01 20 1,0 0,38 62 32 70 60 Hiệu suất xử lý (%) 50 40 30 20 10 10 30 60 90 120 Thời gian phản ứng (phút) Hình 3.9 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý sắt (III) Nhận xét: Hiệu suất xử lý vật liệu tăng dần từ T=10 phút đến T= 90 phút, hiệu suất xử lý cao T=90 phút 62% , sau hiệu suất xử lý khơng thay đổi thời gian phản ứng > 90 phút Kết luận Dựa vào kết khảo sát ta thấy hiệu suất xử lý vật liệu LaFeO mẫu nƣớc nhiễm sắt tự tạo phịng thí nghiệm dao động khoảng 30% – 60% Các khoảng xử lý tối ƣu nhƣ sau: - pH dung dịch tối ƣu: - Khối lƣợng vật liệu LaFeO3 tối ƣu: 0,01 g - Thể tích chất nhiễm xử lý tối ƣu: 50 ml - Thời gian phản ứng tối ƣu: 90 phút - Nhiệt độ phản ứng tối ƣu: 200C - Nồng độ chất nhiễm xử lý tốt nhất: mg/l 3.3 Khả xử lý sắt với mẫu nƣớc ngầm vật liệu LaFeO3 3.3.1 Các thông số môi trường mẫu nước ngầm thử nghiệm Mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy Thôn Tiên Trƣợng – Xã Thủy Xuân Tiên – Chƣơng Mỹ – Hà Nội Kí hiệu mẫu nƣớc lần lƣợt từ M1 đến M10 33 Phƣơng pháp lấy mẫu bảo quản mẫu dựa theo: - TCVN 5992: 1995 (ISO 5667 – 2:1991): chất lƣợng nƣớc – lẫy mẫu – hƣớng dẫn kỹ thuật - TCVN 5993 – 1995 (ISO 5667 – 3:1985): chất lƣợng nƣớc – lấy mẫu – hƣớng dẫn bảo quản – xử lý mẫu - TCVN 6000: 1995 (ISO 5667 – 11:1992): chất lƣợng nƣớc – lấy mẫu – hƣớng dẫn lấy mẫu Kết phân tích tiêu nƣớc mẫu nhƣ sau: Bảng 3.7 Kết phân tích số tiêu nƣớc ngầm Kí hiệu mẫu pH DO (mg/l) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 QCVN 09:2015 /BTNMT Cột II QCVN 02: 2009/BYT QCVN 01:2009/BYT 7,8 6,9 6,8 7,5 7,6 7,4 6,5 8,2 7,5 6,3 6,6 5,7 7,6 8,3 6,0 6,1 5,9 6,7 7,6 80,5 74,6 72,7 111,2 146 131,1 152 80,2 193,6 78,4 173,2 142,1 135,2 222 239,3 228,6 312,5 174,7 418,8 148,2 Nhiệt độ (0C) 26,2 24,7 28 26,2 24,5 23,8 24 27,4 25,3 25,4 0,3 0,3 0,1 0,5 0,5 0,3 0,4 0,1 0,5 0.5 Nồng độ Fe3+ (mg/l) 0,24 0,15 0,72 2,08 1,56 0,77 2,24 0,12 2,02 0,5 5,5 –8,5 - 1500 - - - –8,5 - - - - - 0,5 6,5- 8,5 - 1000 - - - TDS (mg/l) EC (µS/cm) NaCl (%) 0,3 Theo QCVN 09-MT:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc dƣới đất, ta thấy 10 mẫu có thơng số pH, tổng chất rắn hòa tan (TDS) nồng độ Fe3+ nằm khoảng cho phép Đối chiếu với cột II QCVN 02:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc sinh hoạt áp dụng hình thức khai thác nƣớc 34 cá nhân, hộ gia đình (các hình thức cấp nƣớc đƣờng ống qua xử lý đơn giản nhƣ giếng khoan, giếng đào, bể mƣa, máng lần, đƣờng ống tự chảy) Ta thấy 10 mẫu có thơng số pH nằm khoảng cho phép Nồng độ Fe3+ mẫu M3, M4, M5, M6, M7, M9 vƣợt quy chuẩn cho phép (0,5 mg/l) Mẫu M7 có nồng độ Fe3+ cao 2,24 mg/l vƣợt 4,5 lần; lại mẫu M1, M2, M8, M10 nằm quy chuẩn cho phép Đối chiếu với QCVN 01:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc ăn uống, ta thấy 10 mẫu có thơng số pH, tổng chất rắn hòa tan (TDS) nằm khoảng cho phép Nồng độ Fe3+ mẫu M3, M4, M5, M6, M7, M9, M10 vƣợt quy chuẩn cho phép (0,3 mg/l) Mẫu M7 có nồng độ Fe3+ cao 2,24 mg/l vƣợt 7,5 lần; lại mẫu M1, M2, M8 nằm quy chuẩn cho phép 3.3.2 Xử lý nước ô nhiễm sắt vật liệu LaFeO3 Bảng 3.8 Xử lý nƣớc ô nhiễm sắt Khối lƣợng Mẫu vật liệu nano xử lý (g) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 Nhiệt độ phản ứng (0C) pH dung dịch Thời gian phản ứng (phút) Nồng độ Fe3+ trƣớc xử lý (mg/l) Nồng độ Fe3+ sau xử lý (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 0,0005 20 90 0,24 0,11 21 0,0003 20 90 0,15 0,07 40 0,002 20 90 0,72 0,31 39 0,004 20 90 2,08 1,08 48 0,002 20 90 1,56 0,91 38 0,003 20 90 0,77 0,24 32 0,005 20 90 2,24 1,32 41 0,0003 20 90 0,12 0,06 33 0,004 20 90 2,02 1,12 11 0,001 20 90 0,5 0,22 10 35 Hình 3.8 Kết xử lý nƣớc nhiễm sắt vật liệu LaFeO3 Thông qua việc khảo sát yếu tố ảnh hƣởng xử lý ô nhiễm sắt vật liệu LaFeO3, đề tài lựa chọn xử lý mẫu nƣớc điều kiện tối ƣu tính tốn lƣợng vật liệu cho vào cho hiệu suất xử lý tốt Cụ thể: Theo QCVN 09-MT:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc dƣới đất, ta thấy 10 mẫu có nồng độ Fe3+ nằm khoảng cho phép (5mg/l) Đối chiếu với cột II QCVN 02:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc sinh hoạt áp dụng hình thức khai thác nƣớc cá nhân, hộ gia đình (các hình thức cấp nƣớc đƣờng ống qua xử lý đơn giản nhƣ giếng khoan, giếng đào, bể mƣa, đƣờng ống tự chảy) Nồng độ Fe3+ ban đầu mẫu M3, M4, M5, M6, M7, M9 vƣợt quy chuẩn cho phép (0,5 mg/l) Sau xử lý M3, M6 đạt quy chuẩn cho phép Tại mẫu nƣớc M4 hiệu suất xử lý cao (48%), nồng độ Fe3+ từ 2,08 mg/l xuống 1,08 mg/l (giảm lần), hiệu suất xử lý cao nhƣng nồng độ Fe3+ vƣợt qúa khoảng cho phép Đối chiếu với QCVN 01:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc ăn uống, nồng độ Fe3+ mẫu M3, M4, M5, M6, M7, M9, M10 36 vƣợt quy chuẩn cho phép (0,3 mg/l) Sau xử lý, nồng độ Fe3+ mẫu M3, M6, M10 đạt quy chuẩn cho phép Các mẫu M4, M5, M7, M9 sau xử lý với hiệu suất cao so với mẫu lại, nhiên nồng độ Fe3+ nằm khoảng giới hạn cho phép cột II QCVN 02:2009/BYT QCVN 01:2009/BYT Kết luận hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm sắt vật liệu LaFeO3 Từ kết khảo sát hiệu suất xử lý vật liệu nano LaFeO3 với mẫu thực không đƣợc cao, khả áp dụng vào thực tế thấp khối lƣợng vật liệu cần thiết cho trình xử lý nhiều Có thể dễ thấy mẫu nƣớc nhiễm tự tạo phịng thí nghiệm xử lý tốt mẫu nƣớc thực có mặt ion cản mẫu thực cao, nhiệt độ nồng độ chất ô nhiễm mẫu thực cao so với mẫu tự tạo nhiều Tuy nhiên vật liệu hồn tồn áp dụng trƣờng hợp mơi trƣờng nƣớc bị bị nhiễm 37 KẾT LUẬN VÀ TỒN TẠI KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu hồn thành đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Lantan Ferit LaFeO3, ứng dụng xử lý ô nhiễm sắt nước”, thu đƣợc kết nhƣ sau: Đã tổng hợp đƣợc vật liệu nano LaFeO3 theo phƣơng pháp phƣơng pháp sol – gel với kích thƣớc hạt cấu trúc ≤50 nm với thành phần khối lƣợng 12,45 % sắt 33,72% Lantan Thành phần nguyên tử 6,6% sắt 7,19% Lantan, tƣơng ứng với tỷ lệ 1:1 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ vật liệu nano LaFeO3 cho kết quả: pH tối ƣu 5, thời gian phản ứng đạt cân hấp phụ 90 phút, nhiệt độ phản ứng tối ƣu 200C, thể tích mẫu tối ƣu 50ml, nồng độ Fe3+ tối ƣu 1mg/l Tỉ lệ khối lƣợng vật liệu hấp phụ cực đại chất ô nhiễm 10/1 (gam vật liệu/gam chất ô nhiễm); Đã ứng dụng vật liệu vào xử lý mẫu nƣớc ô nhiễm sắt thực tế Kết sau xử lý sắt nằm khoảng quy chuẩn cho phép tùy thuộc vào loại nƣớc mục đích sử dụng nƣớc chiếu theo quy chuẩn TỒN TẠI Một số nội dung chƣa đƣợc nghiên cứu mở rộng: - Nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu nano xử lý sắt - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3, ứng dụng xử lý chất ô nhiễm khác KIẾN NGHỊ - Nghiên cứu mở rộng đối tƣợng ô nhiễm khác nhƣ kim loại nặng - Nghiên cứu trình giải hấp phụ sắt để tái sử dụng vật liệu, giảm chi phí vật liệu 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Phƣớc (2011), Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt cơng nghiệp phương pháp sinh học, NXB Xây dựng [2] Trịnh Lê Hùng (1999), Giáo trình Kỹ Thuật Xử Lý Nước Thải, NXB giáo dục [3] Đỗ Kiên Trung (2011), Nghiên cứu tổng hợp perovskit LaFeO3 phương pháp đốt cháy gel đánh giá khả xúc tác oxi hóa CO, hấp phụ Asen, Sắt, Mangan Luận văn Thạc sĩ Hóa học, Đại học sƣ phạm Thái Nguyên [4] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh (2004), Cơng nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử, NXBKH&KT, Hà Nội [5] Ngụy Hữu Tâm (2004), Công nghệ nano hiên trạng, thách thức siêu ý tưởng, NXBKHKT, Hà Nội [6] Số 105: Công nghệ nano, báo Thế giới Việt Nam [9] Phạm Thƣợng Hải (2013), Nghiên cứu xử lí nước ngầm nhiễm đồng thời sắt, mangan, amoni asen Luận văn Thạc sĩ chun ngành Hóa mơi trƣờng, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên [10] Phan Văn Tƣờng (2007), Vật liệu vô (Phần lý thuyết sở), NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội [11] 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 [12] Phan Văn Tƣờng (2004), Các phương pháp chế tạo vật liệu gốm, Đại học KH-TN, ĐHQG Hà Nội [13] Lê Hải Đăng (2011), Tổng hợp vật liệu kiểu perovskite kích thước nanomet nghiên cứu hoạt tính xúc tác oxi hóa chúng, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 39 Tiếng Anh [7] Hessian Ministry of Economy, Transport, Urban and Regional Development (2008), Application of Nanotechnologies in the Energy Sector [8] K D G Imalka Jayawardena, Lynn J Rozanski, Chris A Mills, Michail J Beliatis, N Aamina Nismya and S Ravi P Silva (2013), “Inorganicsin-Organics: recent developments and outlook for 4G polymer solar cells”, Nanoscale, 2013, 5, 8411–8427 [14] Arima T., Tokura Y., Torrance J.B., (1993), “Variation of optical gap in perovskite-type 3d transition-metal oxides”, Physical Review B, 48, pp 17006-17009 [15] Tascon J.M.D., Tejuca L.G., Rochester C.H., (1985), Surface interactions of NO and CO with LaMO3 oxides , Journal of Catalysis 95, pp 558- 566 [16] Futai M., Yonghua C., Hui L., (1986), “Characterization of perovskitetype oxide catalysts RECoO3 by TPR”, Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 31, pp 47-54 [17] Ferri D., Forni L., (1998), “Methane combustion on some perovskitelike mixed oxides”, Applied Catalysis B, 16 pp 119-126 40