Nghiên cứu xử lý phốt phát trong nước bằng vật liệu fe nano

Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Xuân Huân tận tình hướng dẫn, dạy giúp đỡ em suốt trình thực đề tài hoàn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn Thổ nhưỡng, thầy, cô khoa Môi trường – trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình truyền đạt kiến thức cho em năm học vừa qua Vốn kiến thức mà em tiếp thu trình học tập hành trang quý báu để em hoàn thành tốt công việc sau Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô, anh, chị bạn phòng Thí nghiệm môn Thổ nhưỡng – Khoa Môi trường – trường Đại học Khoa học Tự nhiên giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành khóa luận Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè nguồn động lực lớn nhất, tạo điều kiện vật chất lẫn tinh thần cho em suốt thời gian học tập EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2013 Sinh viên VŨ THỊ HIỂN Vũ Thị Hiển i K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU - 1.1 Khái quát công nghệ nano vật liệu nano 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Tính chất vật liệu nano 1.1.3 Các phương pháp điều chế vật liệu nano 1.2 Đặc điểm, tính chất Fe0 nano ứng dụng xử lý môi trường -6 1.2.1 Đặc điểm, tính chất Fe0 nano 1.2.2 Một số ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường Fe0 nano 1.3 Tổng quan ô nhiễm phốt phát phương pháp xử lý 11 1.3.1 Vòng tuần hoàn phốt tự nhiên 11 1.3.2 Nhu cầu sử dụng phốt giới 12 1.3.3 Ô nhiễm phốt phát nước 13 1.3.4 Hiện tượng phú dưỡng tác động 13 Chương ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Đối tượng nghiên cứu - 18 2.2 Nội dung nghiên cứu 18 2.2.1 Nghiên cứu điều chế vật liệu Fe0 nano phân tích số đặc điểm vật liệu nano điều chế 18 2.2.2 Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano 18 2.4 Phương pháp nghiên cứu - 18 2.4.1 Phương pháp thu thập, phân tích tổng hợp tài liệu 18 2.4.2 Phương pháp chế tạo bảo quản vật liệu Fe0 nano 18 2.4.3 Phương pháp nghiên cứu số đặc điểm vật liệu Fe0 nano 19 2.4.4 Xác định phốt phát phương pháp so màu quang điện…………….21 2.4.5 Phương pháp bố trí thí nghiệm khảo sát khả xử lý Fe0 nano phốt phát 22 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 Kết điều chế sắt nano thuộc tính sắt nano thu 24 Vũ Thị Hiển ii K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 3.1.1 Fe0 nano điều chế theo phương pháp khử bohiđrua 24 3.1.2 Đặc điểm hạt Fe0 nano thu 25 3.2 Kết xây dựng đường chuẩn phốt phát - 29 3.3 Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano - 30 3.3.1 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý 30 3.3.2 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý 32 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ Fe0 nano đến hiệu xử lý 34 3.3.4 Ảnh hưởng nồng độ phốt phát đến hiệu xử lý 36 3.3.5 Ảnh hưởng ion Fe2+ đến hiệu xử lý 38 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC - 46 Vũ Thị Hiển iii K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 DANH MỤC HÌNH Hình Cấu trúc lõi – vỏ phân tử Fe0 nano………………………………….…6 Hình Nhu cầu sử dụng P giới……………………………………… 12 Hình Hiện tượng tia X nhiễu xạ mặt tinh thể chất rắn … ……… 20 Hình Sắt nano điều chế theo phương pháp khử bohiđrua……………… 25 Hình Ảnh nhiễu xạ tia X vật liệu Fe0 nano 25 Hình Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu sắt nano điều chế Yuan-Pang Sun, Xiao- qin Li, Jiasheng Cao, Wei-xian Zhang, H Paul Wang 26 Hình Ảnh chụp SEM mẫu sắt nano .27 Hình Ảnh chụp SEM mẫu sắt nano tổng hợp Yunfei Xi, Megharaj Mallavarapu, Ravendra Naidu 28 Hình Ảnh cụp TEM mẫu sắt nano 28 Hình 10 Phương trình xác định hàm lượng phốt phát……………….…… ……30 Hình 11 Hiệu xử lý phốt phát Fe0 nano theo thời gian .31 Hình 12 Khả xử lý sắt nano phốt phát theo thời gian Talal Almeelbi, Achintya Bezbaruah .32 Hình 13 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano 33 Hình 14 Khả hấp phụ phốt phát vật liệu Fe0 nano pH khác theo Talal Almeelbi, Achintya Bezbaruah………………………………………………34 Hình 15 Khả xử lý phốt phát thay đổi nồng độ vật liệu Fe0 nano .35 Hình 16 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir phốt phát vật liệu Fe0 nano 37 Hình 17 Nồng độ phốt phát sau xử lý vật liệu Fe0 nano hiệu suất xử lý theo nồng độ phốt phát ban đầu khác nhau…………………………………………38 Hình 18 Ảnh hưởng ion Fe2+ hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano 39 Vũ Thị Hiển iv K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 DANH MỤC BẢNG Bảng Các hợp chất gây ô nhiễm có khả bị xử lý Fe0 nano………… Bảng Tích số tan số hợp chất photphat với canxi, sắt, nhôm 250oC 16 Bảng Kết đo giá trị mật độ quang D bước sóng 710 nm………………….29 Bảng Khả xử lý phốt phát nước vật liệu Fe0 nano theo thời gian …………………………………………………………………………………… 30 Bảng Khả xử lý phốt phát nước vật liệu Fe0 nano theo pH .32 Bảng Ảnh hưởng hàm lượng Fe0 nano đến khả xử lý phốt phát… … 35 Bảng Ảnh hưởng nồng độ phốt phát ban đầu đến hiệu xử lý……………36 Bảng Ảnh hưởng ion Fe2+ đến hiệu xử lý phốt phát nước…….….39 Vũ Thị Hiển v K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 MỞ ĐẦU Đang đà phát triển mạnh mẽ, ngành công nghiệp đóng góp phần to lớn cho kinh tế quốc dân nước ta kèm theo vô số vấn đề ô nhiễm môi trường, suy kiệt nhiều nguồn tài nguyên quý giá cố môi trường ngày gia tăng, phải kể đến thực trạng ô nhiễm nguồn nước mặt Nước tài nguyên thiên nhiên quý giá, yếu tố thiếu cho hoạt động sống trái đất Vậy mà nguồn nước ngày cạt kiệt nhiều lý khác nhau, có vấn đề nhiễm bẩn nguồn nước dòng nước thải người nhà máy Các hoạt động công nghiệp sản xuất xà phòng, kem đánh răng, bật lửa, công nghiệp dệt may, xử lý nước phân bón… thải vào nguồn nước lượng lớn chất độc hại có phốt phát nguyên nhân gây tượng phú dưỡng nước mặt, ảnh hưởng không nhỏ đến môi sinh sống người Do việc tìm quy trình xử lý nhằm loại bỏ chất độc hại nói chung phốt phát nói riêng khỏi môi trường nước có ý nghĩa to lớn Trong thời gian gần đây, số công trình nghiên cứu với phương pháp khác thực nhằm đưa quy trình tách loại phốt phát khỏi nguồn nước bị ô nhiễm, là: kết tủa muối phốt phát không tan, phương pháp sinh học sử dụng kết hợp trình hiếu khí, thiếu khí yếm khí Những phương pháp ứng dụng có hiệu định việc xử lý phốt phát, nhiên chúng có số nhược điểm là: hệ thống xử lý vận hành phức tạp, lượng hóa chất sử dụng nhiều, lượng bùn thải tạo sau trình xử lý lớn Một hướng nghiên cứu nhiều nhà khoa học nước giới quan tâm công nghệ sử dụng sắt nano (Fe0 nano) việc xử lý ô nhiễm môi trường như: xử lý nước thải có chứa hợp chất hữu khó phân huỷ, phốt phát, kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực vật đất nước [11,13-23] Theo tài liệu Fe0 nano hoàn toàn không độc an toàn với môi trường, việc sử dụng Fe0 nano xử lý ô nhiễm môi trường đạt hiệu suất cao, với giá thành hợp lý Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý phốt phát nước nước ta đề cập nghiên cứu mẻ Vì vậy, cần phải có Vũ Thị Hiển K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 nghiên cứu cụ thể cho việc ứng dụng công nghệ vật liệu Fe0 nano để xử lý phốt phát nước Để góp phần tìm hiểu thêm vấn đề ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý phốt phát nước, đề tài: “Nghiên cứu xử lý phốt phát nước vật liệu Fe0 nano” hướng nghiên cứu có triển vọng thực tiễn cao, tiếp nhận công nghệ tiên tiến, góp phần cho việc làm giảm hàm lượng phốt phát nước nhằm xử lý phú dưỡng, ngăn chặn phát triển tảo độc Mục tiêu đề tài là: - Ứng dụng quy trình công nghệ nghiên cứu chế tạo vật liệu Fe0 nano Đánh giá đặc trưng vật liệu Fe0 nano điều chế - Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ phốt phát vật liệu Fe0 nano nhằm định hướng ứng dụng công nghệ xử lý nước Vũ Thị Hiển K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khái quát công nghệ nano vật liệu nano 1.1.1 Khái niệm [4] Công nghệ nano (nanotechnology) ngành công nghệ liên quan đến việc phân tích, thiết kế, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước quy mô nano mét (nm, 1nm =10-9m) Vật liệu nano vật liệu mà cấu trúc thành phần cấu tạo nên phải có chiều có kích thước nano mét Vật liệu nano tồn trạng thái: rắn, lỏng, khí Trong vật liệu nano rắn quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đến vật liệu lỏng khí Có thể phân chia vật liệu nano thành loại (dạng) sau:  Vật liệu nano chiều vật liệu có chiều có kích thước nano mét, hai chiều lại tự Ví dụ dây nano, ống nano…  Vật liệu nano hai chiều vật liệu có hai chiều có kích thước nano mét Ví dụ màng nano…  Vật liệu nano ba chiều (còn gọi vật liệu nano không chiều) vật liệu có chiều có kích thước nano mét Ví dụ đám nano, keo nano, hạt nano…  Ngoài ra, có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nano mét, cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn Phân loại theo tính chất vật liệu thể khác biệt kích thước nano: - Vật liệu nano kim loại - Vật liệu nano bán dẫn - Vật liệu nano từ tính - Vật liệu nano sinh học 1.1.2 Tính chất vật liệu nano [4] Một đặc điểm vô quan trọng vật liệu nano kích thước cấp độ nano mét (nm) Chính mà tổng số nguyên tử phân bố bề mặt vật liệu nano tổng diện tích bề mặt bề mặt vật liệu lớn nhiều so với vật liệu thông thường Điều làm xuất vật liệu nano nhiều đặc tính dị thường, đặc biệt khả xúc tác, hấp phụ Với kích thước nhỏ cấp độ phân tử, vật liệu Vũ Thị Hiển K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 nano xuất ba hiệu ứng chính: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt hiệu ứng kích thước Hiệu ứng lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử trung bình hóa với nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng cấu trúc nano có nguyên tử tính chất lượng tử thể rõ ràng Ví dụ chấm lượng tử coi đại nguyên tử, có mức lượng giống nguyên tử Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả hấp phụ, độ hoạt động bề mặt… vật liệu nano lớn nhiều Điều mở ứng dụng lĩnh vực xúc tác, hấp phụ nhiều hiệu ứng khác mà nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu Kích thước tới hạn Các vật liệu truyền thống thường đặc trưng số đại lượng vật lý, hóa học không đổi độ dẫn điện kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit….Tuy nhiên, đại lượng vật lý hóa học bất biến kích thước vật liệu đủ lớn (thường lớn 100nm) Khi giảm kích thước vật liệu xuống cấp độ nano mét (nhỏ 100nm), đại lượng lý, hóa không bất biến nữa, ngược lại chúng thay đổi Hiện tượng gọi hiệu ứng kích thước Kích thước mà vật liệu bắt đầu có thay đổi tính chất gọi kích thước tới hạn Ví dụ như: Điện trở kim loại kích thước vĩ mô mà ta thấy ngày tuân theo định luật Ohm Nếu ta giảm kích thước vật liệu xuống nhỏ quãng đường tự trung bình điện tử kim loại (thường vài nm đến vài trăm nm) định luật Ohm không Lúc điện trở vật liệu có kích thước nano tuân theo quy tắc lượng tử Vũ Thị Hiển K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Các nghiên cứu cho thấy tính chất điện, từ, quang, hóa học….của vật liệu có kích thước tới hạn khoảng từ 1nm đến 100nm, nên vật liệu nano tính chất có biểu khác thường so với vật liệu truyền thống 1.1.3 Các phương pháp điều chế vật liệu nano [2]  Phương pháp từ xuống: Bao gồm phương pháp nghiền phương pháp biến dạng Phương pháp nghiền sử dụng kỹ thuật mài khí thông thường để phá vỡ kim loại có kích thước lớn thành hạt có kích thước micro nano Phương pháp biến dạng sử dụng với kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo biến dạng cỡ lớn (có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu  Phương pháp từ lên: phương pháp hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion Phần lớn vật liệu nano mà dùng chế tạo từ phương pháp Phương pháp từ lên phương pháp vật lý, hóa học kết hợp hai gọi phương pháp hóa - lý  Phương pháp nhiệt phân: phương pháp hiệu để chế tạo hạt nano với quy mô lớn Phương pháp chia làm hai phương pháp nhỏ nhiệt phân bụi nhiệt phân laser  Phương pháp khử pha khí: phương pháp tạo hạt sắt nano thương phẩm thường biết đến với tên gọi RNIP (Reactive Nanoscale Iron Particles) sản xuất từ phương pháp khử hematit geolit H2 nhiệt độ cao (3506000) Sau làm lạnh chuyển hạt sắt vào nước dạng khí, lớp vỏ bị ôxy hoá hình thành bề mặt RNIP đuợc biết đến vật liệu hai pha gồm Fe3O4 £-FeO  Phương pháp đồng kết tủa: phương pháp thường dùng để tạo hạt ôxít sắt Có hai cách để tạo ôxít sắt phương pháp hydroxit sắt bị ô xi hóa phần chất ôxi hóa già hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ lệ Fe+2 Fe+3 dung môi nước  Phương pháp vi nhũ tương (microemulsion): phương pháp dùng phổ biến để tạo hạt Fe3O4 nano khả điều khiển kích thước hạt dễ dàng Với nhũ tương “nước-trong-dầu”, giọt dung dịch nước bị bẫy phân tử chất hoạt hóa bề mặt dầu  Phương pháp Polyol: phương pháp thường dùng để tạo hạt nano kim loại Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe Các hạt nano hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu đa chức) Vũ Thị Hiển K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 25.00 100 90 80 70 15.00 60 50 10.00 40 Hiệu suất xử lý % Nồng độ phốt phát sau xử lý (mg/l) 20.00 30 5.00 20 10 0.00 pH Nồng độ phốt phát sau xử lý Hiệu suất xử lý Hình 13 Ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano Qua biểu đồ ta thấy hiệu xử lý phốt phát Fe0 nano pH khác khác Sau 20 phút, pH=2 hiệu xử lý phốt phát 91,26% tốt Hiệu suất xử lý thấp đạt 42,6% pH= Ta thấy pH dung dịch có môi trường axit điểm pH thấp (pH = 4) hiệu suất xử lý phốt phát đạt 85%, pH dung dịch tăng cao (pH = 8) hiệu suất xử lý phốt phát giảm dần (chỉ khoảng 70%) hiệu suất xử lí cao điều chứng tỏ hiệu suất xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano đạt kết tốt môi trường pH thấp Điều lý giải sau: Khi pH thấp, dung dịch chứa nhiều H+ tự do, H+ dung dịch tham gia vào phản ứng oxi hóa Fe0 thành Fe(II), Fe(III) 2Fe0 + O2 + H2O  2Fe2+ + 4OHFe0 + 2H2O  Fe2+ + H2 + 2OHFe2+ tiếp tục bị ôxy hóa thành Fe3+ 4Fe2+ + 4H+ + O2 → 4Fe3+ + 2H2O Phốt phát bị loại phản ứng kết tủa: Fe2+ + HnPO43-n  Fe3(PO4)2↓ + nH+ Fe3+ + HnPO43-n  FePO4↓ + nH+ Vũ Thị Hiển 33 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Khi pH tăng, H+ dung dịch giảm làm cho hiệu xử lý giảm Khi đó, bề mặt hạt Fe0 nano hình thành dạng oxit sắt phức tạp singly (=FeOH(OH); triply (=Fe3O(H)), gothie (FeOOH) Phốt phát loại bỏ với chế hấp phụ bề mặt, hiệu suất xử lý không cao xử lý chế khử >FeOH + >FeOH >FeOH + H2PO4- → >FePO42- + H+ + H2O H2PO4- + H2PO4- + → H+ → >FePO4H- + H2 O >FePO4H2 + H2 O Theo Talal Almeelbi, Achintya Bezbaruah, điều kiện pH khác phốt phát bị hấp thụ Fe0 nano pH thấp thuận lợi Còn điều kiện pH cao giải hấp tượng chiếm ưu [14] pH cao pH thấp Hình 14 Khả hấp phụ phốt phát vật liệu Fe0 nano pH khác theo Talal Almeelbi, Achintya Bezbaruah [14] Do hướng nghiên cứu sử dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý phốt phát nước nên nhiều ý kiến khác chế xử lý cần có nghiên cứu tiếp pH khác để giải thích rõ ràng 3.3.3 Ảnh hưởng nồng độ Fe0 nano đến hiệu xử lý Các mẫu dung dịch phốt phát gây nhiễm nước cất với nồng độ 50 mgP/l cho xử lý 0,05g vật liệu Fe0 nano (tương đương gFe0 /l) với hàm lượng khác 0,8; 1; 1,2; 1,4; 1,6 1,8 gFe0/l thời gian 20 phút sau đem phân tích thu kết sau: Vũ Thị Hiển 34 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Bảng Ảnh hưởng nồng độ Fe0 nano đến khả xử lý phốt phát Nồng độ Nồng độ phốt Nồng độ phốt STT Fe0 nano (g/l) phát ban đầu (mg/l) phát sau xử lý 08:2008/BTNMT xử lý (%) (mg/l) (cột B1) 0,8 50 9,81 65,08 1,0 50 7,34 85,33 1,2 50 6,54 91,53 1,4 50 1,52 96,97 1,6 50 1,04 97,92 1.8 50 0,22 99,57 QCVN Hiệu suất 0,3 mgP/l (QCVN 08:2008/BTNMT cột B1: Giới hạn chất lượng nước mặt dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự mục đích sử dụng loại B2) Từ số liệu thực nghiệm thu bảng trên, xây dựng biểu đồ thể phụ thuộc nồng độ Fe0 nano đến hiệu suất xủ lý phốt phát nước thể 20 100 18 90 16 80 14 70 12 60 10 50 40 30 20 10 Hiệu suất xử lý (%) Nồng độ phốt phát sau xử lý (mg/l) hình 15: 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Nồng độ Fe0 nano (g/l) Nồng độ phốt phát sau xử lý(mg/l) QCVN chất lượng nước mặt (cột B1) Hiệu suất xử lý (%) Hình 15 Khả xử lý phốt phát thay đổi nồng độ vật liệu Fe0 nano Kết phân tích bảng hành 15 cho thấy, nồng độ Fe0 nano khác khả xử lý khác Nồng độ Fe0 nano sử dụng tăng từ 0,8 đến 1,8 g/l hiệu xử lý tăng từ 65,08 đến 99,57 % Hiệu suất xử lý tăng nhanh tăng hàm Vũ Thị Hiển 35 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 lượng Fe0 nano từ 0,8 đến 1,0 g/l (tăng 20,25%) Còn tăng hàm lượng Fe0 nano sử dụng từ 1,4 đến 1,6 g/l hiệu suất xử lý tăng 0,95% (từ 96,97 đến 97,92%) Vậy tăng nồng độ Fe0 nano sử dụng hiệu xử lý phốt phát tăng cao Điều vật liệu Fe0 nano có hiệu ứng kích thước hạt Với kích thước hạt nhỏ (kích cỡ nano) nên chúng có diện tích bề mặt lớn hiệu xử lý cao Kết nghiên cứu cho thấy, với hàm lượng Fe0 nano 1,8 g/l, thời gian xử lí 20 phút, nồng độ phốt phát ô nhiễm ban đầu 50 mgP/l nồng độ phốt phát sau xử lí 0,22 mgP/l đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT chất lượng nước mặt cột B1 (Giới hạn chất lượng nước mặt dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự mục đích sử dụng loại B2) 0,3 mgP/l 3.3.4 Ảnh hưởng nồng độ phốt phát đến hiệu xử lý Các mẫu dung dịch phốt phát ban đầu gây nhiễm nước cất với nồng độ khác là: 10, 20, 30, 40, 50 60 mgP/l cho xử lý 0,05g vật liệu Fe0 nano (tương đương gFe0/l) thời gian 20 phút sau đem phân tích thu kết sau: Bảng Ảnh hưởng nồng độ phốt phát ban đầu đến hiệu xử lý Nồng độ phốt Nồng độ phốt STT phát ban đầu, phát sau xử lý, Lượng phốt phát bị hấp Ce/Qe Hiệu suất QCVN 08:2008/ xử lý % BTNMT (cột B1) C0 (mg/l) Ce (mg/l) phụ/1gFe0 nano Qe (mg/g) 10 0,24 9,76 0,025 99,52 20 0,80 19,20 0,042 98,40 30 1,91 28,10 0,068 96,19 40 6,87 33,14 0,152 86,27 50 8,96 41,04 0,218 82,08 60 13,17 46,84 0,281 73,67 0,3 mgP/l Từ số liệu thực nghiệm bảng 7, xác định số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir sau: Qe  Qmax Trong đó: b.C e  b.C e Qe dung lượng hấp phụ thời điểm đạt cân (mg/g) Vũ Thị Hiển 36 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Qmax dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) Ce nồng độ lúc cân (mg/l) b số đặc trưng cho tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ Phương trình chuyển thành dạng sau : Ce 1 (*)  Ce  Qe Q max b.Q max Phương trình (*) phương trình đường thẳng biểu thị phụ thuộc tuyến tính Ce/Qe vào Ce Thay số liệu thực nghiệm bảng vào phương trình (*) thiết lập phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ phốt phát phần mềm excel Kết thể hình 17 : 0.350 y = 0.02x + 0.0304 R² = 0.9851 0.300 Ce/Qe 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 10 12 14 Ce Hình 16 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir phốt phát vật liệu Fe0 nano Từ phương trình đẳng nhiệt hấp phụ phốt phát vật liệu Fe0 nano xác định dung lượng hấp phụ cực đại Qmax = 50 mg/g số đặc trưng cho tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ b = 0,658 Vũ Thị Hiển 37 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 100 90 12 80 10 70 60 50 40 30 Hiệu suất xử lý (%) Nồng độ phốt phát sau xử lý (mg/l) 14 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Nồng độ phốt phát ban đầu (mg/l) Nồng độ phốt phát sau xử lý QCVN 08:2008/BTNMT cột B1 Hiệu suất xử lý % Hình 17 Nồng độ phốt phát sau xử lý vật liệu Fe0 nano hiệu suất xử lý theo nồng độ phốt phát ban đầu khác Kết nghiên cứu hình 17 bảng cho thấy, với nồng độ Fe0 nano để xử lý g/l, thời gian xử lí 20 phút, nồng độ phốt phát ô nhiễm ban đầu ≤ 10 mgP/l nồng độ phốt phát sau xử lí 0,24 mgP/l đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT chất lượng nước mặt cột B1 (Giới hạn chất lượng nước mặt dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự mục đích sử dụng loại B2) 0,3 mgP/l 3.3.5 Ảnh hưởng ion Fe2+ đến hiệu xử lý Bên cạnh chế xử lý phốt phát phương pháp hấp phụ bề mặt hạt Fe nano sau bị oxi hóa thành cấu trúc lõi – vỏ theo Chul C.H., Mohammad A.B., Raj S (2008) [8] có chế xử lý phốt phát hấp phụ kết tủa hóa học với ion Fe2+ dung dịch Vì ion Fe2+ dung dịch có ảnh hưởng đến hiệu xử lý phốt phát Fe0 nano Để đánh giá ảnh hưởng Fe2+ đến hiệu xử lý phốt phát Fe0 tiến hành thí nghiệm sau: Các mẫu dung dịch phốt phát gây nhiễm nước cất với nồng độ 50 mgP/l cho xử lý 0,05g vật liệu Fe0 nano (tương đương gFe0/l) bổ sung thêm ion Fe2+ với thể tích 0, 1, 2, 4ml Fe2+ 0,05M (tương ứng nồng độ ion Fe2+ dung dịch 0; 2,8; 5,6; 8,4 11,2 mgFe2+/l), xử lý thời gian 20 phút sau đem phân tích thu kết sau: Vũ Thị Hiển 38 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Bảng Ảnh hưởng ion Fe2+ đến hiệu xử lý phốt phát nước Nồng độ Fe2+ Nồng độ phốt Nồng độ phốt phát Hiệu suất sau xử lý (mg/l) xử lý (%) (mg/l) phát ban đầu (mg/l) 50 8,73 82,54 2,8 50 6,48 87,04 5,6 50 5,38 89,25 8,4 50 3,11 93,79 11,2 50 0,98 98,05 STT Từ số liệu thực nghiệm thu bảng 8, xây dựng biểu đồ thể ảnh hưởng ion Fe2+ đến hiệu xử lý phốt phát nước Fe0 nano, thể hình 18: 100 98 96 94 92 90 88 Hiệu suất xử lý (%) Nồng độ phốt phát sau xử lý (mg/l) 86 84 82 80 2.8 5.6 8.4 11.2 Nồng độ ion Fe2+ dung dịch (mg/l) Nồng độ phốt phát sau xử lý (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) Hình 18 Ảnh hưởng ion Fe2+ hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano Kết phân tích bảng hình 18 cho thấy, ion Fe2+ làm tăng hiệu xử lý Fe0 nano phốt phát Với mẫu đối chứng không bổ sung thêm ion Fe2+ hiệu xử lý 82,54% Nồng độ ion Fe2+ dung dịch nhiều hiệu xử lý cao Với nồng độ ion Fe2+ dung dịch 2,8mg/l hiệu suất xử lý tăng 4,5%; với nồng độ Fe2+ dung dịch 11,2 mg/l hiệu suất xử lý Vũ Thị Hiển 39 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 tăng 15,51% Như hiệu suất xử lý tăng nhiều, điều cho thấy ion Fe2+ có khả xử lý phốt phát tốt Kết nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với J Thistletn, T Clark (2001) [12] Cơ chế xử lý phốt phát ion Fe2+ sau: Ion Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ môi trường với oxy phân tử Sau oxy hóa thành Fe3+ xảy trình thủy phân tạo loạt phức chất dạng hydroxit Có nhiều nghiên cứu cho thấy Fe3+ hình thành từ trình oxy hóa Fe2+ có hiệu Fe3+ đưa từ vào trình tách loại phốt phát Trong môi trường oxy hòa tan, Fe2+ tạo sản phẩm sắt phốt phát: Fe2+ + PO43- → Fe3(PO4)2 Sử dụng ion Fe2+ để kết tủa phốt phát sử dụng thực tế sản phẩm khó lắng tạo phức với chất hữu có mặt nước thải khả lắng Vũ Thị Hiển 40 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN Fe0 nano chế tạo phương pháp sử dụng NaBH4 khử muối sắt pha cồn có sử dụng chất phân tán PAA, sản phẩm tạo thành (hoàn toàn Fe0), có kích thước tương đối nhỏ (10 - 18,6 nm), có diện tích bề mặt lớn (60 m2/g) đặc biệt làm khô bảo quản nhiệt độ phòng Thời gian ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu xử lý, Sau 40 phút nồng độ phốt phát giảm từ 50 mgP/l xuống 5,33 mgP/l, hiệu suất xử lý đạt 89,35%, nhiên tốc độ xử lý giai đoạn khả xử lý nhanh nhất, sau giảm dần giai đoạn sau pH dung dịch ảnh hưởng lớn đến hiệu xử lý Tại pH=2 hiệu xử lý phốt phát tốt (91,26%) Hiệu suất xử lý thấp đạt 42,6% pH= Khi tăng nồng độ Fe0 nano sử dụng để xử lý hiệu xử lý phốt phát tăng Nồng độ Fe0 nano sử dụng tăng từ 0,8 đến 1,8 g/l hiệu xử lý tăng từ 65,08 đến 99,57 % Với nồng độ Fe0 nano 1,8 g/l, thời gian xử lí 20 phút, nồng độ phốt phát ban đầu 50 mgP/l nồng độ phốt phát sau xử lí đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT cột B1_ Giới hạn chất lượng nước mặt dùng cho mục đích tưới tiêu thủy lợi mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự mục đích sử dụng loại B2 Dung lượng hấp phụ cực đại Qmax = 50 mg/g số đặc trưng cho tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ b = 0,658 Ion Fe2+ dung dịch làm tăng hiệu xử lý phốt phát Fe0 nano Nồng độ ion Fe2+ dung dịch cao hiệu xử lý tốt Khi nồng độ ion Fe2+ dung dịch 2,8 mg/l hiệu suất xử lý tăng 4,5%; nồng độ ion Fe2+ dung dịch 11,2 mg/l hiệu suất tăng 15,51% KIẾN NGHỊ Nghiên cứu sâu chế ảnh hưởng pH đến hiệu xử lý phốt phát nước Nghiên cứu thêm số yếu tố ảnh hưởng khác đến hiệu xử lý phốt phát nước vật liệu Fe0 nano là: nhiệt độ, kích thước hạt sắt nano, muối Vũ Thị Hiển 41 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 Fe3+ để có thêm thông tin đầy đủ phục vụ cho việc ứng dụng xử lý phốt phát nước vật liệu Fe0 nano thực tế Nghiên cứu dùng lại việc dùng Fe0 nano để xử lý nước gây nhiễm phốt phát nhân tạo nước cất, cần phải có nghiên cứu mẫu nước bị ô nhiễm thực tế để đánh giá xác hiệu xử lý phốt phát Fe0 nano Vũ Thị Hiển 42 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 TÀI LIỆU THAM KHẢO  TIẾNG VIỆT Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ Phốt pho, nhà xuất Khoa Học Tự Nhiên Công Nghệ, Hà Nội Nguyễn Hoàng Hải (2008), Chế tạo nghiên cứu chất lỏng từ tính, Đề tài NCKH QT.07.10, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Lê Văn Khoa, Nguyễn Xuân Cự, Bùi Thị Ngọc Dung, Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, Cái Văn Tranh (2000), Phương pháp phân tích đất nước phân bón trồng, NXB Giáo dục, Hà Nội La Vũ Thùy Linh (2010), Công nghệ nano-cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật kỷ 21 Tạp chí Khoa học & ứng dụng số 12, tr 14 – 26 QCVN 08:2008/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt Trần Văn Sơn (2010), Nghiên cứu xử lý phốt nước tự nhiên vật liệu Bentonite biến tính La, Al/La, Luận văn Thạc sỹ Khoa học, ngành khoa học môi trường, Trường đại học khoa học tự nhiên  TIẾNG ANH Amal Kumar Mondal, Sanjukta Mondal (Parui)*,Sumana Samanta and Sudebi Mallick (2011), Synthesis of Ecofriendly Silver Nanoparticle from Plant Latex used as an Important Taxonomic Tool for Phylogenetic Interrelationship, Advances in bioresearch, vol [1], 122 – 133 Chul C.H., Mohammad A.B., Raj S (2008) Method of sunthesing air-stable zero-valent iron nanoparticles at room temperature and application, United States Patent Application 2008/009105 D Cordell, A L Smit, A Rosemarin “Sustainable use of Phosphorus” Plant seach internaltion,Pages: 1-140 10 Ferber L.R, Levine S.N, Lini A & Liningston G.P (2004), Do Cyanobacteria dominate in eutrophic lakes because they fix atmospheric nitrogen ?, Freshwater Biology, 49, 690-708 Vũ Thị Hiển 43 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 11 Glavee G.H., Klabunde K.J, Sorensen Ch.M.& Hadjipanayis G (1995), Chemistry of borohydride reduction of iron(II) and iron(III) in aqueous and nonaqueous media Formation of nanoscale Fe, FeB, and Fe2B powders Inorg Chem Vol 34, pp 28-35 12 Günter klein and Prodencio Perera (2002), Eutrophication and health – Office for Official Publications of the European Communitites, page 28 13 Heesu Park, Yong-Min Park, Kyoung-Min Yoo and Sang-Hyup Lee (2009), Reduction of nitrate by resin-supported nanoscale zero-valent iron, Water Science & Technology—WST Vol 59 No 11 pp 2153–2157 © IWA Publishing 2009 doi:10.2166/wst.2009.243 14 J Thistletn, T Clark, P Pearce and S A Parsons (2001), Mechanisms of chemical phosphorus remove iron (II) salt, School of Water Sciences, Cranfield University, Cranfield, Bedfordshire, UK Thames Water Research and Development, Reading, Berkshire, UK; Publication after revision 22 October 2001 15 María E Morgada, Ivana K Levy, Vanesa Salomone, Silvia S Farías, Gerardo López, Marta I Litter (2009), Effects of hardness and alkalinity on the removal of arsenic(V) from humic acid-deficient and humic acid-rich groundwater by zero-valent iron, Water Research, Volume: 43, Issue: 17, Publisher: Elsevier Ltd, Pages: 4296-4304 16 Nazli Efecan, Talal Shahwan, Ahmet E.Eroglu, Ingo Lieberwirth (2008), Characterization of the adsorption behaviour of aqueous Cd(II) and Ni(II) ions on nanoparticles of zero-valent iron, School of Engineering and Science of İzmir Institute of Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of MASTER OF SCIENCE in Chemistry 17 Patanjali Varanasi, Andres Fullana, Sukh Sidhu (2007), “Remediation of PCB contaminated soils using iron nano-particles” Chemosphere 66, 1031-1038 18 Talal Almeelbi, Achintya Bezbaruah (2011), “Aqueous phosphate removal using nanoscale zero-valent iron” Springer Science+Business Media B.V 2012 19 Wei-xian Zhang (2003), “Nanoscale iron particles for environmental remediation: An overview ” Journal of Nanoparticle Research 5: 323–332 Vũ Thị Hiển 44 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 20 Xiaomin Dou, Rui Li, Bei Zhao, Wenyan Liang(2010), “Arsenate removal from water by zero-valent iron/activated carbon galvanic couples” Journal of Hazardous Materials 182, 108–114 21 Xiao-qin Li, Daniel W Elliott, and Wei-xian Zhang (2006), “Zero-Valent Iron Nanoparticles for Abatement of Environmental Pollutants: Materials and Engineering Aspects” Solid State and Materials Sciences 31, 111–122 22 Yunfei Xi, Megharaj Mallavarapu, Ravendra Naidu (2010), “Reduction and adsorption of Pb2+ in aqueous solution by nano-zero-valent iron-A SEM, TEM and XPS study” Materials Research Bulletin 45, 1361–1367 23 Yang-hsin Shih, Chung-yu Hsu, Yuh-fan Su (2011), “Reduction of hexachlorobenzene by nanoscale zero-valent iron: Kinetics, pH effect, and degradation mechanism” Separation and Purification Technology 76,268–274 24 Yu-Hoon Hwang, Do-Gun Kim, Hang-Sik Shin (2011), “Mechanism study of nitrate reduction by nano zero valent iron” Journal of Hazardous Materials 185, 1513–1521 25 Y-P Sun, X Li, J Cao, W Zhang, and H P Wang (2006), “Characterization of zero-valent iron nanoparticles,” Journal of Advances in Colloid and Interface Science, vol 120, pp 47–56 Vũ Thị Hiển 45 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 PHỤ LỤC Quy trình điều chế vật liệu Fe0 nano phòng thí nghiệm môn Thổ nhưỡng – Khoa Môi trường – Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Hình 2: Dung dịch NaBH4 bổ sung chất phân tán PAA Hình 1: Dung dịch muối sắt FeSO4.7H2O (3a) (3b) Hình 3a, 3b: Quá trình nhỏ giọt dung dịch NaBH4 có chất phân tán PAA vào dung dịch muối sắt kết thu Vũ Thị Hiển 46 K54 Khoa học môi trường Khoa môi trường Khóa luận tốt nghiệp 2013 (4a) (4b) Hình (4a) Fe0 nano thu sau điều chế (còn ướt) (4b) Fe0 nano thu khô Vũ Thị Hiển 47 K54 Khoa học môi trường ... 2013 nghiên cứu cụ thể cho việc ứng dụng công nghệ vật liệu Fe0 nano để xử lý phốt phát nước Để góp phần tìm hiểu thêm vấn đề ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý phốt phát nước, đề tài: Nghiên cứu. .. nghiên cứu 2.2.1 Nghiên cứu điều chế vật liệu Fe0 nano phân tích số đặc điểm vật liệu nano điều chế 2.2.2 Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý phốt phát vật liệu Fe0 nano - Nghiên cứu ảnh... vật liệu Fe0 nano .35 Hình 16 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir phốt phát vật liệu Fe0 nano 37 Hình 17 Nồng độ phốt phát sau xử lý vật liệu Fe0 nano hiệu suất xử lý theo nồng độ phốt phát ban