nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit nano la2o3 để hấp phụ asen

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM CAO THỊ HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU OXIT NANO La 2 O 3 ĐỂ HẤP PHỤ ASEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Thái Nguyên, năm 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM CAO THỊ HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU OXIT NANO La 2 O 3 ĐỂ HẤP PHỤ ASEN Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Ngƣờ i hƣớ ng dẫ n khoa họ c: PGS.TS. Lƣu Minh Đại Thái Nguyên, năm 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lƣu Minh Đại người hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Khoa Học Vật Liệu, các anh, chị em trong phòng Vật Liệu Vô Cơ – Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả luận văn Cao Thị Hồng Phúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Lưu Minh Đại. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Cao Thị Hồng Phúc Xác nhận của khoa chuyên môn Xác nhận của ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS.TS. Lƣu Minh Đại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục các bảng iv Danh mục các hình v MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 2 1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm môi trường nước 2 1.1.1. Tài nguyên nước 2 1.1.2. Nguồn nước ngầm 2 1.1.3. Sự ô nhiễm môi trường nước 4 1.1.4. Tác hại của asen đối với con người 6 1.2. Một số công nghệ xử lý nước nhiễm asen 12 1.2.1. Phương pháp trao đổi ion 12 1.2.2. Phương pháp oxi hóa 13 1.2.3. Phương pháp hấp phụ 14 1.2.3.1. Khái niệm 14 1.2.3.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 14 1.2.3.4. Phương trình động học hấp phụ 16 1.2.3.5. Một số công nghệ xử lý nước nhiễm Asen 17 1.3. Lựa chọn phương pháp loại bỏ asen 19 1.4. Công nghệ nano 22 1.4.1. Vật liệu nano 22 1.4.1.1. Giới thiệu về vật liệu nano 22 1.4.1.2. Một số ứng dụng của vật liệu nano 23 1.4.2. Một số phương pháp tổng hợp oxit nano 23 1.4.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 24 1.4.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 24 1.4.2.4. Phương pháp sol - gel 25 1.4.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 25 Chƣơng 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 27 2.1. Thiết bị, hóa chất 27 2.1.1. Thiết bị 27 2.1.2. Hóa chất 27 2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu 27 2.2.1. Phương pháp đốt cháy gel chế tạo oxit La 2 O 3 kích thước nanomet 27 2.2.2. Chế tạo vật liệu oxit nano La 2 O 3 trên cát thạch anh 28 2.3. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu 28 2.3.1. Các phương pháp phân tích 28 2.3.1.1. Phương pháp phân tích nhiệt 29 2.3.1.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen 29 2.3.1.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 30 2.3.1.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET 30 2.3.1.5. Phương pháp phổ hồng ngoại 31 2.3.1.6. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu 31 2.3.2. Các phương pháp xác định hàm lượng kim loại asen trong nước 31 2.3.2.1. Phương pháp phát xạ nguyên tử ICP-AES 31 2.3.2.2. Phương pháp test xác định asen 31 2.4. Nghiên cứu hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 32 2.5. Quá trình hấp phụ tĩnh 33 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1. Vật liệu oxit La 2 O 3 kích thước nanomet 34 3.1.1. Tổng hợp vật liệu 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 34 3.1.1.2. Kết quả nhiễu xạ rơnghen 35 3.1.1.3. Kết quả dao động hồng ngoại 39 3.1.1.4. Hình thái học, diện tích bề mặt vật liệu La 2 O 3 41 3.1.2. Ứng dụng vật liệu oxit La 2 O 3 kích thước nanomet để hấp phụ asen . 42 3.1.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen trên La 2 O 3 42 3.1.2.2. Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp La 2 O 3 đến hiệu suất hấp phụ asen 44 3.1.2.3. Một số ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ asen trên nano oxit La 2 O 3 44 3.1.2.4. Xác định dung lượng hấp phụ asen trên La 2 O 3 kích thước nanomet 48 3.2. Vật liệu oxit La 2 O 3 trên nền chất mang 51 3.2.1. Chế tạo vật liệu La 2 O 3 /CTA 51 3.2.2. Ứng dụng vật liệu La 2 O 3 /CTA hấp phụ asen 52 3.2.2.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen trên La 2 O 3 /CTA 52 3.2.2.2. Dung lượng hấp phụ As (III) trên La 2 O 3 /CTA 53 3.2.2.3. Dung lượng hấp phụ As (V) trên La 2 O 3 /CTA 55 KẾT LUẬN CHUNG 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 - Số liệu ô nhiễm asen của một số địa phương 11 Bảng 1.2: Sơ bộ đánh giá các công nghệ đã sử dụng trong xử lý nước nhiễm asen 17 Bảng 1.3: Đánh giá sơ bộ khả năng xử lý của các loại vật liệu đang được nghiên cứu và sử dụng ở Việt Nam. 20 Bảng 3.1. Kết quả khảo sát nồng độ As (III) sau hấp phụ theo thời gian trên La 2 O 3 43 Bảng 3.2. Kết quả hiệu suất hấp phụ asen của vật liệu ở các điều kiện chế tạo 44 Bảng 3.3. Kết quả hiệu suất hấp phụ As (III) ở giá trị pH khác nhau 45 Bảng 3.4. Kết quả các giá trị pH sau hấp phụ trên La 2 O 3 45 Bảng 3.5. Kết quả hiệu suất hấp phụ As (III) ở nhiệt độ khác nhau 46 Bảng 3.6. Kết quả ảnh hưởng của cation đến hiệu suất hấp phụ asen 47 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của anion đến hiệu suất hấp phụ asen 48 Bảng 3.8. Kết quả dung lượng hấp phụ As (III) trên La 2 O 3 49 Bảng 3.9. Kết quả dung lượng hấp phụ As (V) trên La 2 O 3 50 Bảng 3.10. Hiệu suất phủ và hàm lượng oxit lantan trên nền chất mang 52 Bảng 3.11. Kết quả hiệu suất hấp phụ As (III) theo thời gian trên La 2 O 3 /C.T.A . 53 Bảng 3.12. Kết quả dung lượng hấp phụ của La 2 O 3 đối với As (III) 54 Bảng 3.13. Kết quả dung lượng hấp phụ với As (V) trên La 2 O 3 /CTA 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Các căn bệnh do Asen gây ra 7 Hình 1.2. Bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nước ngầm tại TP Hà Nội và một số khu vực ngoại thành – 1999. [8,9]. 9 Hình 1.3. Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc 10 Hình 1.4. Bản đồ điều tra về tình hình ô nhiễm asen của nước ngầm tại một số tỉnh thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long – 1999 [2], [12]. 10 Hình 1.5. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp thụ (C 1 >C 2 ). 16 Hình 2.1. Đường hấp phụ Langmuir và sự phụ thuộc C f /q vào C f 33 Hình 3.1. Giản đồ TGA-DTA của mẫu gel La 3+ -PVA. 35 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 400 o C. 36 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 500 o C. 36 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 600 o C. 37 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 700 o C 37 Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gel nung ở 800 o C 38 Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu La 2 O 3 đã chuyển pha tại nhiệt độ phòng. 38 Hình 3.8. Quang phổ FTIR mẫu nung ở 500 o C. 40 Hình 3.9. Quang phổ FTIR mẫu nung ở 600 o C. 40 Hình 3.10. Quang phổ FTIR mẫu nung ở 700 o C 41 Hình 3.11. Ảnh TEM của mẫu oxit La 2 O 3 42 Hình 3.12. Biểu diễn nồng độ của As (III) còn lại sau phản ứng theo thời gian. 43 Hình 3.13. Đồ thị sự phụ thuộc của pH i và ∆pH 46 Hình 3.14. Sự phụ thuộc LnK đ vào 10 -3 .1/T. 47 Hình 3.15. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As (III) trên La 2 O 3 . 49 Hình 3.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As (V) trên La 2 O 3 . 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.17. Sơ đồ chế tạo mẫu oxit La 2 O 3 / CTA bằng phương pháp đốt cháy gel PVA. 51 Hình 3.18. Sự phụ thuộc nồng độ As (III) sau hấp phụ theo thời gian. 53 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuirđối với As (III) trên La 2 O 3 /CTA. 54 Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As (V) trên La 2 O 3 /CTA. 55 [...]... v cỏc vt liu khỏc tỏch loi asen, st, mangan, amoni, ra khi ngun nc ụ nhim Vic nghiờn cu ch to v ng dng cỏc oxit kim loi, hn hp oxit kim loi cú kớch thc nanomet trong ú cú vt liu oxit t him c nhiu quc gia quan tõm do nhng c tớnh u vit ca chỳng Vt liu oxit nano La2O3 c nghiờn cu ng dng trong lnh vc hp ph asen Do vy, vic ch to vt liu oxit La2O3 kớch thc nanomet ng dng hp ph asen cú ý ngha khoa hc v thc... thc tin cao Da trờn c s phõn tớch ti liu v cụng ngh x lý asen nhm y mnh hng cụng ngh ch to vt liu kớch thc nanomet v ng dng cỏc loi sn phm y tim nng ny vo cuc sng, cng nh s dng cú hiu qu ti nguyờn sn cú trong nc, ti Nghiờn cu ch to vt liu oxit nano La2O3 hp ph Asen ó c thc hin vi cỏc ni dung chớnh sau: - Tng hp vt liu oxit La2O3 kớch thc nanomet: + Xỏc nh cỏc iu kin ti u tng hp vt liu : nhit ... http://www.lrc-tnu.edu.vn + Xỏc nh cỏc iu kin tng hp oxit nano La2O3 trờn cỏt thch anh - ỏnh giỏ mt s c trng ca vt liu tng hp ( kớch thc, thnh phn pha, din tớch b mt) - ỏnh giỏ kh nng hp ph tnh i vi asen trờn vt liu ch to ( dung lng hp ph cc i v nh hng ca mt s yu t nh : nng asen, nhit , nng ca mt s kim loi ) 1.4 Cụng ngh nano 1.4.1 Vt liu nano 1.4.1.1 Gii thiu v vt liu nano Vt liu nano l mt khỏi nim tng i rng, nú cú... to vt liu oxit La2O3 kớch thc nanomet ng dng hp ph asen cú ý ngha khoa hc v thc tin cao Da trờn c s phõn tớch ti liu v cụng ngh x lý asen nhm y mnh hng cụng ngh ch to vt liu kớch thc nanomet v ng dng cỏc loi sn phm y tim nng ny vo cuc sng, cng nh s dng cú hiu qu ti nguyờn sn cú trong nc, chỳng tụi ó la chn nghiờn cu ti Nghiờn cu ch to vt liu oxit nano La2O3 hp ph Asen S húa bi Trung tõm Hc liu... hp ph asen c nhiu nh khoa hc quan tõm do nhng c tớnh u vit ca chỳng Cú mt s cụng trỡnh ó s dng mt s cỏc vt liu qung st, qung mangan hp ph asen, st, mangan, ra khi ngun nc ụ nhim nhng do din tớch b mt ca cỏc loi qung trờn l nh nờn hiu sut x lý thp Tuy nhiờn, cú rt ớt cụng trỡnh cp n vic s dng cỏc nguyờn t t him trong lnh vc hp ph Asen c bit l vt liu oxit nano La2O3 Do vy, vic ch to vt liu oxit La2O3. .. liu kớch thc nanomet Cú mt s cụng trỡnh ó s dng mt s cỏc vt liu qung st, qung mangan hp ph asen ra khi ngun nc ụ nhim nhng do din tớch b mt ca cỏc loi qung trờn l nh nờn hiu sut x lý thp Tuy nhiờn cú rt ớt cụng trỡnh cp n vic s dng cỏc nguyờn t t him trong lnh vc hp ph Asen Do vy chỳng tụi tin hnh nghiờn cu ch to vt liu oxit lantan kớch thc nanomet x lý asen Vt liu ny cú kh nng hp ph asen cao, cú... than thng giu asen [30], [33] 1.1.4 Tỏc hi ca asen i vi con ngi Asen (cũn gi l thch tớn) Asen l mt nguyờn t phõn tỏn trờn trỏi t, hu nh cú mt trong tt c cỏc mu t ỏ, khoỏng vt v trong cỏc mu ng thc vt Asen tn ti trong t nhiờn thng dng As (III) v As (V) trong ú trng thỏi As (III) thng c hn trng thỏi As (V) T lõu con ngi ó bit n ụ nhim asen qua ng hụ hp v qua ng tiờu húa V mt sinh hc, asen nh hng n thc... thay thế ion PO43- gây ức chế enzym, ngăn cản tạo ra ATP là chất sản sinh ra năng l-ợng Nếu có mặt AsO43- thì quá trình phụ xẩy ra, tạo thành 1-arseno, 3-photphat, glyxerat, nên sự tạo thành 1, 3-diphotphat glyxerat không xẩy ra, do đó không hình thành và phát triển ATP: S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Túm li, tỏc dng húa sinh chớnh ca asen l: lm ụng t protein,... iu tra v tỡnh hỡnh ụ nhim asen ca nc ngm ti TP H Ni v mt s khu vc ngoi thnh ( hỡnh 1.2, 1.3 ) cho chỳng ta thy s bỏo ng v tỡnh hỡnh ụ nhim asen ca nc ngm v ch rt ớt nhng khu vc cú nng asen mc an ton cũn li ch yu nng asen u vt nhng cho phộp, c bit khu vc phớa nam H Ni cú nhng ni nng asen >0,3mg/l ln hn 30 ln tiờu chun phộp [3], [10] Hỡnh 1.2 Bn iu tra v tỡnh hỡnh ụ nhim asen ca nc ngm ti TP H Ni... tng i rng, nú cú th l tp hp cỏc nguyờn t kim loi hay phi kim, oxit hay cỏc mui cú kớch thc trong khong 1-100 nanomet ú cng cú th l cỏc vt liu xp vi ng kớnh mao qun di 100 nanomet nh zeolit, cacboxylat kim loi Nh vy vt liu nano cú th dng siờu phõn tỏn hoc h rn vi xp cao [14], [16] im khỏc bit gia vt liu nano v vt liu thụng thng l vt liu nano cú kớch thc vụ cựng nh ( ch ln hn kớch thc nguyờn t 1-2 . phổ biến và có hiệu quả để loại bỏ asen, nhất là việc sử dụng vật liệu nano. Việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các vật liệu nano oxit kim loại để hấp phụ asen được nhiều nhà khoa học quan. tố đất hiếm trong lĩnh vực hấp phụ Asen. Đặc biệt là vật liệu oxit nano La 2 O 3 . Do vậy, việc chế tạo vật liệu oxit La 2 O 3 kích thước nanomet ứng dụng hấp phụ asen có ý nghĩa khoa học và. ở trong nước, chúng tôi đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit nano La 2 O 3 để hấp phụ Asen ” Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn