Luận văn Điều chế bột HA từ vỏ sò và thử nghiệm hoạt tính hấp phụ với ion đồng (II)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP BỘT HA TỪ VỎ SÒ VÀ THỬ NGHIỆM HOẠT TÍNH HẤP PHỤ VỚI ION ĐỒNG (II) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SV THỰC HIỆN: Thầy Nguyễn Việt BáchHuỳnh Ngọc Nê MSSV: 2102375 Ngành: Công nghệ hóa học-Khóa 36 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách MỤC LUC MỤC LUC i TÓM TẮT ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH iv DANH MỤC BẢNG vi LỜI NÓI ĐẦU viii CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HYDROXYAPATITE .x 1.1 Tính chất Hydroxyapatite x 1.1.1 Tính chất vật lý x 1.1.2 Tính chất hóa học xii 1.1.3 Tính chất sinh học xii 1.2 Ứng dụng bột HA xiii 1.2.1 Ứng dụng HA dạng bột xiv 1.2.2 Ứng dụng HA dạng khối xốp 15 1.2.3 Ứng dụng HA dạng composit 15 1.2.4 Ứng dụng HA hấp phụ ion kim loại nặng 16 1.2.5 Ứng dụng HA dạng ceramic 16 1.3 Các phýõng pháp tổng hợp vật liệu HA 16 1.3.1 Phýõng pháp sol – gel 17 1.3.2 Phương pháp điện hóa 20 1.3.2.1 Phương pháp kết tủa catot .21 1.3.2.2 Phýõng pháp anot hóa 21 1.3.2.3 Phýõng pháp ðiện di 22 1.3.3 Phương pháp thủy nhiệt 22 1.3.4 Phương pháp phản ứng pha rắn: 28 1.3.5 Phương pháp hóa – 29 1.4 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA 30 1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, X – Ray) 30 1.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử SEM 33 CHƯƠNG II: ĐẠI CƯƠNG VỀ KIM LOẠI NẶNG 34 2.1 Kim loại nặng 34 2.1.1 Khái niệm 34 2.1.2 Tính chất kim loại nặng 34 2.1.3 Giới thiệu ion đồng độc tính đồng 35 2.1.3.1 Ion đồng (Cu2+) 35 2.1.3.2 Độc tính đồng 35 S Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách 2.2 Lý thuyết hấp phụ 36 2.2.1 Hiện tượng hấp phụ 36 2.2.2 Phân loại trình hấp phụ .36 2.2.3 Cân hấp phụ 37 2.2.4 Dung lượng hấp phụ cân .37 2.2.5 Hiệu suất hấp phụ 37 2.2.6 Mô hình động học hấp phụ 38 2.2.7 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 38 2.2.7.1 Phương trình Freundlich 38 2.2.7.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry 39 2.2.7.3 Phương trình Langmuir 39 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM 41 3.1 Hóa chất, nguyên liệu dụng cụ thiết bị .41 3.1.1 Hóa chất 41 3.1.2 Nguyên liệu 41 3.1.3 Dụng cụ 43 3.1.4 Thiết bị 43 3.2 Đia điểm thời gian thực .43 3.3 Tổng hợp bột HA 43 3.3.1 Qui trình tạo bột CaO từ vỏ sò .44 3.3.2 Quy trình điều chế HA mô tả sau 46 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất phản ứng đến chất lượng bột HA .48 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến chất lượng bột HA 49 3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến chất lượng bột HA .49 3.4 Nghiên cứu hấp phụ 49 3.4.1 Chuẩn bị hóa chất dung dịch .50 3.4.2 Cách phân tích xác định nồng độ ion Cu2+ 51 3.4.3 Phương pháp nghiên cứu trình hấp phụ 51 3.4.5 Các vấn đề khảo sát .52 3.4.5.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ Cu2+ 52 3.4.5.2 Khảo sát đông học hấp phụ Cu2+ the mô hình Langmuir .52 3.4.5.3 Khảo sát hàm lượng HA đến khả hấp phụ Cu2+ 53 3.4.5.4 Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Cu2+ .53 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55 4.1 Tổng hợp bột HA 55 4.1.1 Quy trình tổng hợp bột HA .55 4.1.2 Nghiên cứu ảnh hýởng nồng ðộ tác chất ðến hình thành HA 55 4.1.3 Khảo sát ảnh hýởng nhiệt ðộ phản ứng ðến hình thành HA 58 4.1.4 Khảo sát ảnh hýởng nhiệt ðộ nung ðến hình thành HA 60 S Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách 4.1.5 Xác ðịnh hình thái kich thýớc hạt thông qua ảnh SEM .62 4.2 Khảo sát hấp phụ ion Cu2+ 64 4.2.1 Khảo sát ảnh hýởng thời gian ðến trình hấp phụ Cu2+ 64 4.2.2 Nghiên cứu hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir .65 4.2.3 Khảo sát ảnh hýởng lýợng chất hấp phụ HA ðến trình hấp phụ Cu2+ 68 4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ ion Cu2+ 69 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 5.1 Kết luận 71 5.1.1 Tổng hợp bột HA 71 5.1.2 Khảo sát hấp phụ ion Cu2+ 71 5.2 Kiến nghị 71 LỜI CẢM ƠN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 S Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang i Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách TÓM TẮT Trong luận văn tập trung nghiên cứu số điều kiện tổng hợp HA theo phương pháp kết tủa từ nguyên liệu rẻ tiền có nguồn cung cấp dồi vỏ sò tự nhiên axit photphoric Kết tồng hợp bột HA đơn pha, có kich thước hạt tinh thể tương đối đồng điều với đường kính hạt thay đổi khoảng 91,3 – 145 nm, dài khoảng 91,3 – 187 nm Vỏ sò sau thu gom rửa sấy khô Vỏ sò sau rửa sấy khô nghiền mịn máy nghiền bi Sau trình nghiền bột vỏ sò nung nhiệt độ 900 (C để đảm bảo CaCO3 phân hủy hoàn toàn thành CaO Bột CaO bảo quản hộp nhựa kín dùng làm nguyên liệu tổng hợp HA Cân lượng bột CaO thích hợp cho vào 100 ml nước cất khuấy khoảng 30 phút, cho phản ứng với axit phosphoric ứng với nồng độ mol khảo sát ( CaCO 2M – H3PO4 1,2M; CaCO3 1,5M – H3PO4 0,9 M; CaCO3 0,5M – H3PO4 0,3M; CaCO3 0,15M – H3PO4 0,09M) nhiệt độ nghiên cứu (30 °C, 60 °C, 90 °C), pH môi trường phản ứng giữ khoảng 10 – 12 dung dịch NH 25% Sau già hóa dung dịch 72 tiếng, đem lọc chân không sấy khô nhiệt độ khoảng 60° khoảng 72 Tiếp theo sản phẩm sau phản ứng nung nhiệt độ khảo sát (100 °C, 500 °C, 700 °C, 900 °C, 1100 °C) Bột HA tổng hợp nồng độ tác chất phản ứng CaCO 0,5M – H3PO4 0,3M, nhiệt độ phản ứng 90 °C, nhiệt độ nung 900 °C tốt ưu Để phân tích đánh giá bột HA sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử (SEM) Bột HA tinh khiết tiến hành nghiên cứu hấp phụ với ion Cu 2+ Từ kết thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ tốt ion Cu 2+ Cơ chế hấp phụ tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cực đại 45,87 mg/g Hàm lượng hấp phụ tốt bột HA 200 mg 100 ml dung dịch ion Cu2+ nồng độ196,693 mg/L Giá trị pH hiệu trình hấp phụ ion Cu2+ SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang ii Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASTM (American Society for Testing and Materials): hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ Error: Reference source not found – TCP: Beta Tri – Calcium phosphate JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards): thẻ tiêu chuẩn giản đồ nhiễu xạ tia X SBF (Simulated Body Fluid): dung dịch sinh học nhân tạo SEM (Scanning Electron Microcope): kính hiển vi điện tử quét XRD (X – ray Diffraction): phổ nhiễu xạ tia X SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang iii Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Các dạng tồn tinh thể HA, (a) dạng hình que, b) dạng hình trụ, (c) dạng hình cầu, (d) dạng hình sợi, (e) dạng hình vảy, (f) dạng hình kim Error: Reference source not foundxi Hình 1-2 Cấu trúc ô mạng sở tinh thể HA, (a) dạng lục phương, (b) dạng đơn tà xii Hình 1-3 Công thức cấu tạo phân tử HA xii Hình 1-4 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 15 Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp Sol – Gel 18 Hình 1-6 Quá trình tổng hợp HA phương pháp sol – gel từ Ca(NO3)2.4H2O (NH4)2HPO4 18 Hình 1-7 Quá trình tổng hợp HA phương pháp Sol – Gel từ H3PO4 Ca(NO3)2.4H2O .20 Hình 1-8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp điện di 22 Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp kết tủa 25 Hình 1-10 Tổng hợp HA phương pháp kết tủa từ Ca(OH)2 H3PO4 .26 Hình 1-11 Điều chế HA dạng bột từ Ca(NO3)24H2O (NH4)2HPO4 27 Hình 1-12 Sơ đồ tổng hợp HA dạng bột 28 Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo thiết bị phương pháp nhiễu xạ tia X 30 Hình 1-14 Giản đồ nhiễu xạ tia X HA 32 Hình 1-15 Giản đồ nhiễu xạ tia X HA TCP 32 Hình 1-16 Giản đồ nhiễu xạ tia X HA TCP 33 Hình 2-1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Languir 40 Hình 2-2 Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb 40 Hình 3-1 Nguyên liệu vỏ sò rửa 41 Hình 3-2 Ảnh SEM vỏ sò tự nhiên với độ phóng đại khác 42 Hình 3-3 Quy trình điều chế bột CaO 45 Hình 3-4 Bột CaO tạo từ vỏ sò 46 Hình 3-5 (a) mô hình tạo bột HA phản ứng thủy nhiệt, (b) già hóa hỗn hợp huyền phù sau phản ứng, (c) sản phẩm sau lọc sấy khô 47 Hình 3-6 Quy trình tổng hợp bột HA 48 Hình 3-7 Quá trình hấp phụ ion Cu2+ bột HA .50 Hình 3-8 Bột HA trước sau trình hấp phụ 50 Hình 3-9 Sự thay đổi màu sắc trình chuẩn độ (A) màu dung dịch Cu2+ ban đầu, (B) màu dung dịch Cu2+ cho chất thị Murexit vào, (C) màu dung dịch Cu2+ cho NH3 vào, (D) màu dung dịch Cu2+ sau chuẩn độ với EDTA 51 Hình 4-1 Ảnh hưởng nồng độ tác chất đến độ tinh khiết HA điều chế nồng độ (a) Ca(OH)2 0,015 M - H3PO4 0,09 M; (b) Ca(OH)2 0,5 M - H3PO4 0,3 M; (c) Ca(OH)2 0,15 M H3PO4 0,9 M; (d) Ca(OH)2 M - H3PO4 1,2 M 57 Hình 4-2 Ảnh hýởng nhiệt ðộ phản ứng ðến ðộ tinh khiết HA (a) 30°C, (b) 60 °C, (c) 90 °C 58 SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang iv Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Hình 4-3 Ảnh hýởng nhiệt ðộ ðến hình thành tinh thể HA (a) 100 °C, (b) 500 °C, (c) 700 °C, (d) 900 °C, (e) 1100 °C 60 Hình 4-4 Bột HA tổng hợp phýõng pháp kết tủa 61 Hình 4-5 Ảnh SEM mẫu bột HA tổng hợp nhiệt độ phản ứng 90 °C, nhiệt độ nung 900 °C nồng độ Ca(OH)2 0,5 M H3PO4 0,3 M 63 Hình 4-6 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ 65 Hình 4-7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Cu2+ 66 Hình 4-8 Dạng tuyến tính phương trình hấp phụ Langmuir 67 Hình 4-9 Ảnh hưởng hàm lượng HA đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ 68 Hình 4-10 Ảnh hưởng hàm lượng HA đến dung lượng hấp phụ ion Cu2+ 69 SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang v Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách DANH MỤC BẢNG Bảng 3-1 Thành phần nguyên tố hàm lượng CaCO3 vỏ sò 42 Bảng 3-2 Các thông số thực nghiệm nồng độ chất phản ứng khảo sát .48 Bảng 3-3 Các thông số thực nghiệm nhiệt độ khảo sát 49 Bảng 3-4 Các thông số thực nghiệm nhiệt độ nung cần khảo sát 49 Bảng 4-1 Ảnh hưởng thời gian đến trình hấp phụ Cu2+ .64 Bảng 4-2 Mối quan hệ dung lượng hấp phụ vào nồng độ đầu Cu2+ 65 Bảng 4-3 Các thông số phương trình Langmuir 67 Bảng 4-4 Ảnh hưởng lượng HA đến khả hấp phụ ion Cu2+ 68 Bảng 4-5 Ảnh hưởng lượng HA đến khả hấp phụ ion Cu2+ 69 SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang vi Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 76 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 77 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 78 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 79 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 80 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách PHỤ LỤC KẾT QUẢ ĐO PHỔ XRD BỘT HA Mẫu 1: Phổ XRD mẫu bột HA với nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH) 0,15 M – H3PO4 0,09 M, nhiệt độ phản ứng 30 °C, nhiệt độ nung 900 °C Mẫu 2: Phổ XRD mẫu bột HA với nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH) 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ phản ứng 30 °C, nhiệt độ nung 900 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 81 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 3: Phổ XRD mẫu bột HA với nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH) 1,5 M – H3PO4 0,9 M, nhiệt độ phản ứng 30 °C, nhiệt độ nung 900 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 82 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 4: Phổ XRD mẫu bột HA với nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH) 2 M – H3PO4 1,2 M, nhiệt độ phản ứng 30 °C, nhiệt độ nung 900 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 83 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 5: Phổ XRD mẫu bột HA với nhiệt độ phản ứng 60 °C, nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH)2 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ nung 900 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 84 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 6: Phổ XRD mẫu bột HA với nhiệt độ phản ứng 90 °C, nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH)2 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ nung 900 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 85 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 7: Phổ XRD mẫu bột HA với nhiệt độ nung 100 °C, nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH)2 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ phản ứng 90 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 86 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 8: Phổ XRD mẫu bột HA với nhiệt độ nung 500 °C, nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH)2 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ phản ứng 90 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 87 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 9: Phổ XRD mẫu bột HA với nhiệt độ nung 700 °C, nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH)2 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ phản ứng 90 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 88 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách Mẫu 10: Phổ XRD mẫu bột HA với nhiệt độ nung 1100 °C, nồng độ tác chất ban đầu Ca(OH)2 0,5 M – H3PO4 0,3 M, nhiệt độ phản ứng 90 °C SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 89 Luận văn tốt nghiệp – CNHH CBHD: Thầy Nguyễn Việt Bách SVTH: Huỳnh Ngọc Nê Trang 90