(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit kích thước nano trên nền bentonit để xử lý asen trong nước ngầm

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƢỚC NANO SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM TRẦN QUỐC VIỆT CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm Đơn vị công tác: Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Hướng dẫn 2: TS Mai Văn Tiến Đơn vị công tác: Khoa Môi trường- Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Hà Nội - Năm 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƢỚC NANO SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM HUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG TRẦN QUỐC VIỆT Hà Nội - Năm 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm – Viện Vật Liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Cán hướng dẫn 2: TS Mai Văn Tiến – Khoa Môi trường – Trường đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Cán chấm phản biện 1: PGS.TS.Nguyễn Huy Tùng Cán chấm phản biện 2: TS Trần Mạnh Trí Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 17 tháng 01 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Kết nghiên cứu luận văn trung thực thực sở nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu phịng thí nghiệm Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn khoa học PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm - Trưởng phịng Vật liệu Vơ cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin cam đoan kết chưa công bố nghiên cứu khác Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung trình bày báo cáo Hà Nội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN (Ký ghi rõ họ tên) Trần Quốc Việt XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN NỘP LƢU CHIẾU CHỦ NHIỆM KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGS.TS Lê Thị Trinh PGS.TS Đào Ngọc Nhiệm TS Mai Văn Tiến LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đào Ngọc Nhiệm, Trưởng phịng Vật liệu Vơ – Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; Ban giám hiệu tồn thể q thầy, giáo khoa Mơi trường – Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội truyền đạt giúp đỡ suốt trình học tập rèn luyện, tạo điều kiện thuận lợi để thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS Mai Văn Tiến- Giảng viên Trường Đại học Tài ngun Mơi trường hết lịng giúp đỡ, hướng dẫn suốt trình thực hoàn thành nghiên cứu Xin cảm ơn anh Phạm Ngọc Chức, anh Đoàn Trung Dũng, chị Nguyễn Hà Chi phịng Phân tích Vơ cơ- Viện Khoa họcVật liệu, giúp đỡ tơi thiết bị máy móc sử dụng Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ động viên suốt q trình nghiên cứu hồn thành nghiên cứu Trong thời gian khuôn khổ luận văn, chắn bao quát trọn vẹn hết vấn đề xoay quanh nội dung cần nghiên cứu luận văn Vì vậy, tơi xin chân thành cảm ơn mong nhận nhiều ý kiến từ thầy, giáo góp ý bổ sung cho luận văn Qua ý kiến đóng góp, giúp tơi hồn thiện vốn kiến thức ứng dụng vấn đề nghiên cứu vào sống Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Quốc Việt MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận văn Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Nƣớc ngầm tình hình nhiễm 1.1.1 Asen độc tính asen 1.1.2 Sự ô nhiễm asen môi trường nước Việt Nam giới 1.1.3 Tác hại Asen người 1.2 Tổng quan bentonite 1.2.1 Thành phần bentonite 1.2.2 Tính chất bentonite 1.3 Hấp phụ trao đổi ion vật liệu 10 1.3.1 Phương pháp trao đổi ion 11 1.3.2 Phương pháp hấp phụ 11 1.3.3 Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen 19 1.4 Lựa chọn giải pháp loại bỏ asen phƣơng pháp hấp phụ nano Fe2O3 22 1.5 Phƣơng pháp chế tạo tổng hợp nano sắt oxit 22 1.5.1 Giới thiệu nano oxit sắt 22 1.5.2 Các phương pháp tổng hợp nano oxit sắt 25 CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 30 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 30 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 30 2.2 Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ thiết bị nghiên cứu 30 2.2.1 Thiết bị, dụng cụ 30 2.2.2 Hóa chất 31 2.3 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 31 2.3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit, kích thước nanomet 31 2.3.2 Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit/bentonit kích thước nanomet 32 2.4 Khảo sát tối ƣu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu 34 2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung tới trình tổng hợp vật liệu 34 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng pH tạo gel tới trình tổng hợp vật liệu .34 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thể tích AT/PVA tới trình tổng hợp vật liệu 34 2.4.4 Khảo sát nhiệt độ tạo gel tới trình tổng hợp vật liệu 34 3+ 2.4.5 Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ thể tích Fe /(AT+PVA) tới trình tổng hợp vật liệu .34 2.5 Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu 35 2.5.1 Phương pháp phân tích nhiệt 35 2.5.2 Phương pháp nhiễu xạ rơnghen 36 2.5.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu ( kính hiển vi điện tử quét SEM hiển vi điện tử truyền qua TEM) .38 2.5.4 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phương pháp đo BET) 40 2.5.5 Phương pháp xác định điểm điện tích khơng vật liệu 41 2.6 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng kim loại asen nƣớc 42 2.6.1 Phương pháp phân tích asen theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 6182:1996 (ISO 6595 : 1982 (E)) 42 2.6.2.Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric- AAS) 42 2.6.3 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng 43 2.7 Phƣơng pháp nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu 44 2.7.1 Phương pháp hấp phụ tĩnh 44 2.7.2 Phương pháp hấp phụ động 44 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Kết khảo sát số yếu tố ảnh hƣởng đến hình thành pha vật liệu nhƣ nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel, .47 47 3.1.1 Vật liệu oxit nano Fe2O3 3.1.2 Vật liệu oxit nano Fe2O3/bentonit 54 3.2 Nghiên cứu khả tái sinh vật liệu GB 59 3.3 Kết thử nghiệm hiệu xử lý Asen mẫu nƣớc thực tế 62 3.4 So sánh với nghiên cứu thực 62 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 Kết luận 63 Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BET SEM Brunauer- Emmett- Teller: Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng lấy theo tên riêng nhà khoa học Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua XRD X-Ray Diffraction: Nhiễm xạ Rơnghen PVA Poli Vinyl Ancol AT Axit tartaric VLHP HPVL HPHH Vật liệu hấp phụ Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học Vật liệu Fe2O3/Bentonit GB q Dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp Q Dung lượng hấp phụ an toàn cột DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen .19 Bảng 1.2 Đánh giá sơ khả xử lý loại vật liệu nghiên cứu sử dụng Việt Nam 21 Bảng 3.1 Giá trị ∆pH dung dịch hấp thụ khoảng ph khác 51 Bảng 3.2 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ (H%) as(V) oxit nano 52 Fe2O3 Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ Fe2O3 kích thước nanomet as(V) 53 Bảng 3.4 Kết xác định hàm lượng sắt bentonit 54 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ as(V) .55 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nồng độ As(V) đến dung lượng hấp phụ vật liệu GB1, GB2, GB3 56 Bảng 3.7 Các thông số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir As(V) vật liệu GB1, GB2 GB3 57 Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ asen số oxit sắt phủ bentonit theo phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 58 Bảng 3.9 Nồng độ ion Asen (V) lại dung dịch sau qua cột hấp phụ 58 Bảng 3.10 Kết chạy cột asen lần vật liệu GB 59 Bảng 3.11 Nồng độ asen thu hồi giải hấp vật liệu GB 60 Bảng 3.12 Kết chạy cột asen lần hai vật liệu GB 61