BÁO cáo đề tài NCKH

Nano sắt hóa trị 0, có ứng dụng cao trong việc xử lý chất thải hữu cơ, đặc biệt là chất thải hữu cơ có vòng thơm. Bài viết là sản phẩm của tác giả, đã được bảo vệ, mọi việc nghiêm cấm, sao chép mà không được phép đều vi phạm pháp luật nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực Ths Vũ Văn Thủy : Lương Tuấn Anh Nguyễn Trung Dũng Lớp : CNHH 12A Hà Nội, 2016 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC Giáo viên hướng dẫn : Ths Vũ Văn Thủy Sinh viên thực : Lương Tuấn Anh Nguyễn Trung Dũng Lớp : CNHH 12A Hà Nội, 2016 MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BET : Phương pháp đo hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt khí nitơ (BrunauerEmmett-Teller) BOD: Biochemical Oxygen Demand – nhu cầu oxy sinh học CNT: Carbon nanotube - Các ống nano cacbon COD: Chemiscal Oxygen Demand – nhu cầu oxy hóa học DO: Dissolved Oxygen – hàm lượng oxy hòa tan Fe0 : Sắt hố trị khơng nZVI : Nano Fe0 (nano Zero Valent Iron) SEM : Scanning Electron Microscope - Hiển vi điện tử quét TEM : Transmission Electron Microscopy - Hiển vi điện tử truyền qua UV : Ultraviolet – tia tử ngoại XRD : Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Bảng Bảng 1.1 Danh sách hợp chất hữu vơ bị khử nZVI Trang 12 Bảng 1.2 Thế oxy hóa số tác nhân oxy hóa mạnh mơi trường lỏng 21 Bảng 3.1 Ảnh hưởng pH tới khả xử lý metyl đỏ Fe0 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nồng độ metyl đỏ tới khả xử lý Fe0 Bảng 3.3 Ảnh hưởng thời gian xử lý với lượng sắt 0,02g Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian xử lý với lượng sắt 0,03g Bảng 3.5 Ảnh hưởng khối lượng Fe0 tới hiệu xử lý 37 38 39 40 41 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Trang Hình 1.1 Màng mỏng nano đa lớp Hình 1.2 Cấu trúc ống nano cacbon Hình 1.3 Dây nano ZnO Hình 1.4 Hạt nano ZnO Hình 1.5 Các trình hình thành gốc hydroxyl Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy TEM Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ảnh hiển vi điện tử quét Hình 2.4 Sơ đồ điều chế Fe0 nano Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ XRD Fe0 nano Hình 3.2 Ảnh nhiễu xạ TEM Fe0 Hình 3.3 Xác định diện tích bề mặt phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp BET Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý Fe0 phụ thuộc vào độ pH Hình 3.5 Ảnh hưởng nồng độ metyl đỏ tới hiệu xử lý Fe0 Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý với 0,02g Fe0 Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian tới hiệu xử lý với 0,03g Fe0 Hình 3.8 Ảnh hưởng khối lượng Fe0 tới hiệu xử lý metyl đỏ 22 26 27 28 30 34 35 36 37 38 39 40 41 LỜI MỞ ĐẦU Nước ta với kinh tế thị trường định hướng xã hội chủ nghĩa động lực để phát triển kinh tế Cùng với phát triển ngành công nghiệp nặng, những năm gần ngành thuộc lĩnh vực công nghiệp nhẹ lương thực – thực phẩm, ngành gia dụng, thủ công nghiệp, dệt may da giầy… ngày phát triển, phục vụ tốt cho nhu cầu người sử dụng Tuy nhiên mặt trái tạo lượng lớn chất thải rắn, lỏng khí… Một những ngành cơng nghiệp gây nhiễm môi trường lớn ngành dệt nhuộm Nhiều nhà máy chưa có hệ thống xử lý nước thải hệ thống xử lý chưa đạt ch̉n, ngồi có hàng ngàn sở nhỏ lẻ, làng nghề truyền thống, với quy mô sản xuất nhỏ nên lượng nước thải sau sản xuất không xử lý, mà thải trực tiếp hệ thống cống rãnh đổ thẳng xuống hồ ao, sơng, ngòi gây nhiễm nghiêm trọng tầng nước mặt, mạch nước ngầm ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người Vì dây chuyền công nghệ phức tạp, bao gồm nhiều công đoạn sản xuất khác nên nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hợp chất hữu độc hại, đặc biệt công đoạn tẩy trắng nhuộm màu Việc tẩy, nhuộm vải loại thuốc nhuộm khác thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm phân tán… khiến cho lượng nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm khác (chất tạo màu, chất làm bền màu ) Bên cạnh những lợi ích chất tạo màu họ azo cơng nghiệp nhuộm, tác hại không nhỏ mà chất thải mơi trường Chính yếu tố đã làm cho môi trường ngày kiệt quệ mức ô nhiễm ngày cao, làm cho vấn đề xử lý môi trường trở thành vấn đề tiên phong cho bất kỳ quốc gia, tổ chức giới Đứng trước trạng ô nhiễm môi trường nước thải ngành công nghiệp nay, việc ứng dụng cơng trình xử lý nước thải vào quy trình sản xuất nhà máy điều cần thiết Hiện đã có nhiều đề tài vào lĩnh vực nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho ngành công nghiệp Trong có nhiều đề tài đã ứng dụng vào thực tế đem lại những kết khả quan Với mục đích điều chế thử nghiệm khả xử lý chất thải hữu mang màu, đặc biệt hợp chất màu nước thải dệt nhuộm nano sắt hố trị 0, chúng tơi đã chọn đề tài nghiên cứu khoa học là: “Nghiên cứu điều chế nano sắt hóa trị phương pháp hóa học” Phương pháp xử lý hợp chất hữu bền, vòng thơm sắt hóa trị phương pháp đã ứng dụng số nước giới Đề tài thành công mở triển vọng ứng dụng vật liệu sắt hóa trị không vào xử lý nguồn nước bị nhiễm hợp chất vòng thơm cách hiệu kinh tế Hơn nữa phương pháp mới, thân thiện với môi trường, phương pháp sử dụng sắt chất độc hại, biến đổi hợp chất hữu độc thành hợp chất khơng độc, độc hại dễ thu hồi môi trường Như phương pháp đã mở hướng nghiên cứu ứng dụng sắt hóa trị vào xử lý nguồn nước nhiễm hợp chất hữu bền Đây nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần bảo vệ sức khỏe người bảo vệ môi trường Mục tiêu nghiên cứu đề tài 10 - Phát triển theo hướng nghiên cứu công nghệ vật liệu Bộ môn, Khoa - Tạo môi trường nghiên cứu khoa học, phát triển lực cho sinh viên Các nội dung nghiên cứu đề tài - Điều chế nano sắt hóa trị cách khử Fe 2+ (Fe3+) NaBH4 - Đánh giá tính chất sản phẩm thu (thành phần, độ ổn định, kích thước hạt, diện tích bề mặt) - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới trình điều chế (tỷ lệ tiền chất, môi trường phản ứng, thời gian sấy) - Thử nghiệm khả xử lý chất thải ô nhiễm sản phẩm thu (đối với chất màu nước thải dệt nhuộm) 44 - Bước 1: Lắp hệ bao gồm máy khuấy bình cầu cổ - Bước 2: Cân 4g Fe2(SO4)3 hòa tan 100ml nước cất cốc thủy tinh 250ml Đưa hệ lên máy khuấy từ gia nhiệt, khuấy với tốc độ 600 vòng/phút ta dung dịch A Sau hỗn hợp tan hết, đổ dung dịch A vào bình cầu - Bước 3: Cân 1,2g NaBH4 hòa tan vào 150ml nước cất cốc thủy tinh đổ vào phễu nhỏ giọt, ta dung dịch B - Bước 4: Nhỏ từ từ dung dịch B vào bình cầu chứa dung dịch A máy khuấy với tốc độ nhỏ giọt khoảng giọt/giây tốc độ khuấy 250 vòng/phút Kết tủa mầu đen Fe nano hình thành, sử dụng nam châm để tách Fe0 nano rửa 3-4 lần cồn Sau vật liệu Fe nano đưa vào lọ đựng đã sấy khơ, đậy kín, bảo quản để xử lý mẫu nước ô nhiễm - Để phân tích cấu trúc vật liệu ta cần sấy khô sản phẩm tủ sấy chân không nhiệt độ 60oC 2.6 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới hiệu xử lý nano sắt metyl đỏ 2.6.1 Pha dung dịch metyl đỏ Cân 25mg metyl đỏ dạng bột, hòa tan định mức bình định mức 500ml, ta dung dịch metyl đỏ nồng độ 50mg/l Dung dịch gốc sau pha loãng tùy mục đích sử dụng 2.6.2 Cơ chế phản ứng Đối với hợp chất azo, nZVI có tác dụng khử nhóm azo phân tử sang nhóm amin: 45 Các hợp chất hữu sau bị khử sắt kim loại, tính độc hại giảm sau loại bỏ khỏi mơi trường nhiều phương pháp khác phương pháp sinh học, hấp phụ… Kim loại sắt hóa trị khơng dễ dàng bị oxi hóa chuyển sang Fe 2+ nhiều tác nhân hóa học khác Fe0 + H+ Fe0 + 2H2O Fe2+ + H2 Fe2+ + H2 + 2OH– Ngoài có mặt oxy khơng khí hòa tan nước, ZVI có khả tác dụng với nước chất đệm hình thành tác nhân oxy hóa nâng cao (OH•), tác nhân oxy hóa mạnh, phân hủy khống hóa nhiều chất hữu có dung dịch nước: 2Fe(0) + O2 + 2H2O 2Fe2+ + 2OH– + 2OH• 2.6.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng 2.6.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH - Dùng pipet hút 40ml dung dịch gốc định mức bình 100ml, ta thu dung dịch metyl đỏ nồng độ 20mg/l - Lấy 10ml dung dịch metyl đỏ vào ống nghiệm, điều chỉnh pH ban đầu dung dịch ống nghiệm 46 mang giá trị 3, 4, 5, 6, 7, dung dịch H 2SO4 0,05N NaOH 0,1N - Sau thêm vào ống 0,02g sắt, lắc 30 phút - Lọc lấy dung dịch để đo trắc quang, xác định nồng độ metyl đỏ lại mẫu 2.6.3.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ metyl đỏ - Chuẩn bị dung dịch metyl đỏ có nồng độ 10, 20, 30, 40, 50 mg/l - Lấy 10ml metyl đỏ có nồng độ vào ống nghiệm - Thêm vào ống nghiệm 0,02g Feo, lắc 30 phút - Lọc lấy dung dịch đo trắc quang, xác định nồng độ metyl đỏ lại mẫu 2.6.3.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian xử lý *Với hàm lượng Feo 0,02g - Lấy 10 ml metyl đỏ nồng độ 20 mg/l vào ống nghiệm - Thêm vào ống 0,02g Feo, lắc 10, 20, 30, 40, 50, 60 phút - Lọc lấy dung dịch đề đo trắc quang *Với hàm lượng Feo 0,03g - Lấy 10 ml metyl đỏ nồng độ 20 mg/l vào ống nghiệm 47 - Thêm vào ống 0,03g Feo, lắc 10, 20, 30, 40, 50, 60 phút - Lọc lấy dung dịch đề đo trắc quang 2.6.3.4 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng Fe0 xử lý - Lấy 10 ml metyl đỏ nồng độ 20 mg/l vào ống nghiệm - Thêm vào ống khối lượng Feo 0,015; 0,02; 0,025; 0,03; 0,035; 0,04 g - Lọc lấy dung dịch để đo trắc quang 48 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Một số đặc điểm, tính chất vật liệu nano sắt hóa trị 3.1.1 Kết nghiên cứu phổ nhiễu xạ tia X nano sắt hóa trị Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ XRD Fe0 nano Dựa phổ nhiễu xạ tia X, nhận thấy hiệu ứng đặc trưng Fe nano xuất với cường độ lớn có xuất pic phụ khác, điều cho thấy vật liệu Fe0 nano chế tạo tương đối khiết trình lọc, rửa bảo quản bị oxi hóa phần oxy khơng khí nhiệt độ phòng thành Fe2+ Fe3+ 49 3.1.2 Kết chụp ảnh SEM, TEM vật liệu nano sắt hóa trị Hình 3.2 Ảnh nhiễu xạ TEM Fe0 Qua ảnh TEM vật liệu thu cho thấy: kích thước hạt khoảng từ 20 - 100nm Các tinh thể sắt có hình cầu nối với thành chuỗi, tạo thành mạng lưới Kiểu liên kết thành chuỗi tương tác giữa hạt sắt kim loại có từ tính với 50 3.1.3 Kết xác định diện tích bề mặt Hình 3.3 Xác định diện tích bề mặt phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp BET Diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn tới hiệu xử lý, diện tích bề mặt lớn khả tiếp xúc cao hiệu xử lý cao Kết đo diện tích bề mặt vật liệu Fe0 nano theo phương pháp Brunauer Emmett Teillor (BET) 38.337 m²/g So với phương pháp chế tạo sắt nano Sun nnk (2006) có diện tích bề mặt 12,82 m2/g, phương pháp điều chế cho kết diện tích bề mặt hạt Fe0 nano cao gần lần 51 3.2 Các điều kiện ảnh hưởng tới hiệu xử lý Fe0 3.2.1 Ảnh hưởng pH S T T Độ pH Bảng 3.1 Khối lượng Fe0 (g) Thể tích metyl đỏ (ml) 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 Ảnh hưởng 10 10 10 10 10 10 Nồng độ metyl đỏ trước xử lý (mg/l) 20 20 20 20 20 20 pH tới khả xử Nồng độ metyl đỏ sau xử lý (mg/l) 0.102 0.072 0.066 0.060 0.096 0.120 lý metyl đỏ Fe0 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý Fe0 phụ thuộc vào độ pH 52 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ metyl đỏ Chọn pH= S T T Khối Thể Thời gian Nồng độ Nồng độ lượng tích xử lý metyl đỏ metyl đỏ sắt (g) metyl (phút) trước xử lý sau xử lý đỏ (mg/l) (mg/l) (ml) 0,02 10 30 10 0,040 0,02 10 30 20 0,079 0,02 10 30 30 0,334 0,02 10 30 40 0,635 0,02 10 30 50 0,967 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nồng độ metyl đỏ tới khả xử lý Fe0 Hình 3.5 Ảnh hưởng nồng độ metyl đỏ tới hiệu xử lý Fe0 53 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian xử lý *Với hàm lượng Feo 0,02g STT Khối lượng sắt (g) Thời gian xử lý (phút) 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 10 20 30 40 50 60 Nồng độ metyl đỏ trước xử lý (mg/l) 20 20 20 20 20 20 Nồng độ metyl đỏ sau xử lý (mg/l) 0,837 0,319 0,074 0,069 0,044 0,041 Bảng 3.3 Ảnh hưởng thời gian xử lý với lượng sắt 0,02g Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý Fe0 QCVN 08-MT: 2015/ BTNMT 54 *Với hàm lượng Feo 0,03g STT Khối lượng sắt (g) Thời gian xử Nồng độ Nồng độ lý (phút) metyl đỏ metyl đỏ trước xử lý sau xử lý (mg/l) (mg/l) 0.03 10 20 0,725 0.03 20 20 0,275 0.03 30 20 0,058 0.03 40 20 0,055 0.03 50 20 0,043 0.03 60 20 0,038 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian xử lý với lượng sắt 0,03g QCVN Hình 3.7 Ảnh hưởng thời gian tới08-MT: hiệu2015/ quảBTNMT xử lý Fe 55 3.2.4 Ảnh hưởng khối lượng Fe0 STT Khối lượng sắt (g) 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 Thời gian xử Nồng độ Nồng độ lý (phút) metyl đỏ metyl đỏ trước xử lý sau xử lý (mg/l) (mg/l) 30 20 0,446 30 20 0,340 30 20 0,085 30 20 0,046 30 20 0,044 30 20 0,040 30 20 0,038 Bảng 3.5 Ảnh hưởng khối lượng Fe0 tới hiệu xử lý Hình 3.8 Ảnh hưởng khối lượng Fe0 tới hiệu xử lý metyl đỏ QCVN 08-MT: 2015/ BTNMT 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Đã điều chế thành cơng vật liệu sắt hóa trị kích thước nanomet với diện tích bề mặt tăng lên đáng kể, có độ đồng tương đối cao kích thước hạt - Khảo sát khả xử lý hợp chất hữu mang màu mẫu giả metyl đỏ cho kết tối ưu điều kiện pH=6, với nồng độ metyl đỏ 10mg/l, thời gian xử lý 60 phút hàm lượng Fe0 2g/l nước thải Kiến nghị - Cần nghiên cứu thêm quy trình cơng nghệ bảo quản nano sắt hóa trị - Mở rộng nghiên cứu chất khử thay cho NaBH4 rẻ tiền hơn, thông dụng - Mở rộng nghiên cứu, khảo sát khả xử lý Fe chất thải khác - Nghiên cứu, hồn thiện quy trình cơng nghệ để đề tài có khả vào thực tiễn 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Công nghệ – công nghệ nano Tổng luận khoa học – công nghệ - kinh tế, trung tâm thông tin tư liệu khoa học công nghệ Quốc gia, số (2003) [2] Cục Thẩm định Đánh giá tác động môi trường - Tổng cục môi trường, “Hướng dẫn lập báo cáo đánh giá tác động môi trường dự án dệt nhuộm”, Hà Nội, 2009 [3] Đặng Trấn Phòng, Trần Hiếu Nhuệ, “Xử lý nước cấp nước thải dệt nhuộm”, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [4] Đặng Trấn Phòng, Sinh thái mơi trường dệt nhuộm, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [5] Đặng Xuân Việt, “ Nghiên cứu phương pháp thích hợp để khử màu thuốc nhuộm hoạt tính nước thải dệt nhuộm”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [6] https://vi.wikipedia.org/wiki/cong_ nghe_nano [7] Nguyễn Hoàng Hải, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, “Chế tạo nano sắt từ tính”, (2006) [8] Sổ tay tra cứu thuốc nhuộm - Viện Công nghệ dệt sợi, Hà Nội 1993 [9] Từ điển bách khoa toàn thư Việt Nam Tiếng Anh: [10] Buxton G.V., Grennstock C.L., Helman W.P., Ross A.B., Critical review of rate constants for reactions of hydrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl radicals (OH•/O•−) in aqueous solution, J Phys Chem Ref Data 17, 513-886, 1988 [11] Haag W.R., Yao C.C.D., Rate constants for reaction of hydroxyl radicals with several drinking water contaminants, Environ Sci Technol 26, 10051013, 1992 58 [12] Yuan-Pang Sun, Xiao-qin Li, Jiasheng Cao, Wei-xian Zhang, H Paul Wang, method for the preparation of stable dispersion of zerovalent iron nanoparticles, Colloids and surfaces A: Physicochem Eng Aspects 308 (2007) 60- 66.) ...HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA LÝ KỸ THUẬT ******* BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NANO SẮT HÓA TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC Giáo viên hướng... xuất nhà máy điều cần thiết Hiện đã có nhiều đề tài vào lĩnh vực nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho ngành công nghiệp Trong có nhiều đề tài đã ứng dụng vào thực tế đem lại những... nghiên cứu đề tài 10 - Phát triển theo hướng nghiên cứu công nghệ vật liệu Bộ môn, Khoa - Tạo môi trường nghiên cứu khoa học, phát triển lực cho sinh viên Các nội dung nghiên cứu đề tài - Điều