Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu chế tạo từ sắt(III) nitrat, silicat và phophat và thăm dò xử lý môi trường

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Ni(II) CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ SẮT(III) NITRAT, SILICAT VÀ PHOTPHAT VÀ THĂM DỊ XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG Chun ngành: HỐ PHÂN TÍCH Mã số: 60 44 01 18 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, tháng năm 2015 Tác giả luận văn Năng Hồng Nhung Xác nhận Giáo viên hướng dẫn Xác nhận Trưởng khoa Hóa học TS Ngơ Thị Mai Việt PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN i http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN , bạn làm luận văn em sinh viên nghiên cứu khoa học Khoa Hóa học, Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè – người giúp đỡ động viên em suốt trình học tập nghiên cứu Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n ii , cô giao đề tài hướng dẫn em hoàn thành luận văn Do khả thực nghiệm hạn chế số yếu tố khách quan khác nên luận văn em khơng thể tránh khỏi thiếu sót.Em mong nhận góp ý bảo Thầy Cơ để luận văn em hồn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2015 Học viên Năng Hồng Nhung Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n ii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời Cam Đoan I Lời Cảm Ơn II Mục Lục III Danh Mục Các Từ Viết Tắt IV Danh Mục Bảng Biểu .V Danh Mục Các Hình VI MỞ ĐẦU 1.1 Tác dụng sinh hóa mangan niken 1.1.1 Tác dụng sinh hóa mangan 1.3 Giới thiệu số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 1.3.1 Phương pháp trao đổi ion 1.3.2 Phương pháp kết tủa 1.3.3 Phương pháp hấp phụ .5 1.4.2 Hấp phụ môi trường nước .7 hấp phụ Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.v n .9 1.4.5 Quá trình hấp phụ động cột 11 1.5 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử .13 1.5.1 Nguyên tắc 13 1.5.2 Phương pháp đường chuẩn 14 1.6 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu hấp phụ 15 1.6.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 15 1.6.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 15 1.6.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 16 Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 1.6.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 17 vật liệu chế tạo từ hóa chất 17 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .20 2.1 Thiết bị hóa chất 20 2.1.1 Thiết bị 20 2.1.2 Hóa chất .20 21 2.3 Nghiên cứu số đặc trưng hóa lí vật liệu hấp phụ 22 2.3.1 Ảnh SEM vật liệu hấp phụ 22 2.3.2 Diện tích bề mặt riêng vật liệu hấp phụ 22 2.3.3 Phổ hồng ngoại vật liệu hấp phụ 23 2.3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu hấp phụ 23 2.4 Xác định điểm đẳng điện vật liệu hấp phụ .25 26 2.5.1 Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính Mn(II) .26 2.5.2 Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính Ni(II) 27 2.5.3 Dựng đường chuẩn 28 2.5.4 Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng phép đo 36 2.6 Nghiên cứu khả hấp phụ số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh .37 .3 .39 2.6.3 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu .42 u 43 (II), Zn(II), Al(III) 46 hấp phụ đ 49 52 KẾT LUẬN 55 O 56 56 57 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyê n gốc BET Brunaur – Emmetle – Teller IR Intrared Spectroscopy SEM Scanning Electron Microscopy UV – Vis Ultraviolet Visble XRD X-ray Difration ppm Part per million Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n iv Bảng 2.16 Dung dịch nghiên cứu Mn(II) C0 = 48,39 (mg/L) Ni(II) C0 = 51,57 (mg/L) Ca(II), Zn(II), Al(III) Ca(II) Nồng độ ion lạ (mg/L) Ccb q Zn(II) H Ccb q Al(III) H Ccb q H (mg/L) (mg/g) (%) (mg/L) (mg/g) (%) (mg/L) (mg/g) (%) 0,0 10,0 20,0 30,0 50,0 70,0 90,0 19,83 23,05 27,19 28,89 32,36 35,18 39,48 7,14 6,34 5,31 4,88 4,02 3,28 2,24 19,83 23,61 27,49 29,87 32,85 35,58 39,66 19,83 28,11 31,27 33,39 36,25 40,15 19,83 0,0 18,21 7,52 62,29 18,21 7,52 62,29 18,21 7,52 62,29 10,0 20,0 30,0 50,0 70,0 90,0 19,94 21,84 25,03 27,43 33,49 38,53 7,08 6,61 5,81 5,21 3,7 2,44 6,95 6,53 5,71 4,58 2,85 2,22 6,82 5,81 4,53 3,37 2,41 1,55 59,05 52,39 43,85 40,33 33,17 27,14 18,46 58,71 54,77 48,17 43,19 30,65 20,21 20,48 22,14 25,35 29,96 36,89 39,42 7,14 6,21 5,23 4,64 3,89 3,21 2,19 59,05 51,23 43,22 38,31 32,15 26,52 18,09 57,59 54,15 47,51 37,96 23,61 18,37 21,02 25,07 30,19 33,38 38,69 42,11 7,14 5,88 4,29 4,29 3,76 3,04 2,08 59,05 50,12 41,95 35,42 31,04 25,13 17,08 56,47 48,08 37,48 30,86 19,88 12,79 Hình 2.18 Hình 2.19 Ảnh Ảnh hưởng hưởng của ion ion Ca(II), Ca(II), Zn(II), Zn(II), Al(III) Al(III) đến khả đến khả năng hấp phụ hấp phụ Ni(II) Mn(II) vật vật liệu liệu Bảng 2.17 Ca(II), Zn(II), Al(III) Mn(II) Nồng độ Ni(II) H C0 (%) (mg/L) 8,23 68,91 48,92 7,13 10,45 83,71 23,44 6,08 50,95 48,92 10,78 9,53 77,96 47,79 26,41 5,34 44,73 48,92 11,85 9,26 75,78 30,0 47,79 33,12 3,68 30,69 48,92 16,56 8,09 66,15 40,0 47,79 35,56 3,05 25,59 48,92 20,03 7,22 59,06 50,0 47,79 40,67 1,78 14,89 48,92 25,17 5,94 48,55 Ccb q hỗn hợpion C0 lạ(mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/g) 0,0 47,79 14,86 10,0 47,79 20,0 Ccb q (mg/L) (mg/g) H (%) Các kết thực nghiệm cho thấy, vùng nồng độ khảo sát, ion Ca(II), Zn(II), Al(III) có ảnh hưởng tới khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu hấp phụ, Khi nồng độ ion Ca(II), Zn(II), Al(III) tăng dung lượng hấp phụ Mn(II), Ni(II) VLHP giảm Nguyên nhân có mặt ion Ca(II), Zn(II), Al(III) gây hấp phụ cạnh tranh ion, ion kim loại bị hấp phụ phần, đồng thời ngăn cản hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu dẫn đến dung lượng hiệu suất hấp phụ ion vật liệu giảm Mặt khác kết nghiên cứu rằng, ion Al(III) có ảnh hưởng lớn đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu Sự ảnh hưởng ion Zn(II) Ca(II) đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu tương đương Điều giải thích sau: thơng thường, hấp phụ ion kim loại vật liệu ion có điện tích lớn bị hấp phụ mạnh Trong trường hợp ion có điện tích ion có bán kính lớn bị hấp phụ mạnh [1] Trong ba ion nghiên cứu, ion Al(III) có điện tích lớn nên bị hấp phụ mạnh Do ion Zn(II) Ca(II) có bán kính ion hidrat hố tương tự nên ảnh hưởng chúng đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu 2.7 (II), Ni(II (II) có hấp phụ Từ tính hàm lượng Mn(II), Ni(II) sau phân đoạn thể tích Khi nồng độ Mn(II) Ni(II) đầu xấp xỉ nồng độ Mn(II) Ni(II) đầu vào cột đạt cân hấp phụ Mn(II) Ni(II) theo phương pháp hấp phụ động trình bày bảng hình Bảng 2.18 Nồng độ ion Mn(II) sau phân đoạn thể tích Nồng độ Mn(II) (mg/L) Số lần cho V(mL) dung dịch sau phân đoạn thể tích; Co = dung dịch qua cột tính từ lần 8,57 (mg/L) qua cột 50 0,000 100 0,000 150 0,000 200 0,000 250 0,000 300 0,000 350 0,000 400 0,000 450 0,000 10 500 0,000 11 550 0,000 12 600 0,000 13 650 0,000 14 700 0,000 15 750 0,000 16 800 0,000 17 850 0,000 18 900 0,000 19 950 0,000 20 1000 0,000 21 1050 0,000 22 1100 0,000 23 1150 0,000 24 1200 0,000 25 1250 0,000 26 1300 0,041 27 1350 0,129 28 1400 1,348 29 1450 2,445 30 1500 3,535 31 1550 4,397 32 1600 4,879 33 1650 6,328 34 1700 7,376 35 1750 7,959 36 1800 8,451 37 1850 8,497 38 1900 8,512 39 1950 8,535 40 2000 8,558 Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 50 Bảng 2.19.Nồng độ ion Ni(II) sau phân đoạn thể tích Số lần cho dung dịch qua cột 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Nồng độ Ni(II) (mg/L) sau phân đoạn thể tích; Co = 9,49 (mg/L) 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,123 0,184 1,074 2,123 2,981 3,405 3,995 4,419 5,482 7,501 8,463 8,873 9,182 9,219 9,327 9,447 V(mL) dung dịch qua cột tính từ lần 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 51 Hình 2.21 Khả hấp phụ động dung dịch Mn(II) Hình 2.22 Khả hấp phụ động dung dịch Ni(II) Kết cho thấy, với 1g vật liệu hấp phụ hồn tồn 1250mL dung dịch Mn(II) có nồng độ ban đầu 8,57mg/L Ni(II) có nồng độ ban đầu 9,49mg/L 2.8 M (nước thải chưa qua xử lý) Công ty Kim loại màu Bắc Kạn (Bản Thi - Chợ Đồn - Bắc Kạn) vào lúc 9h ngày 08 tháng 10 năm 2014 M Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 52 - 5999-1995 (II), Ni(II) dung d , từ tính hàm lượng Mn(II), Ni(II) thoát sau phân đoạn thể tích Kết thăm dò bước đầu khả hấp thụ Mn(II), Ni(II) nước thải vật liệu trình bày hình 2.22 2.23 Hình 2.23 Sự hấp phụ động ion Mn(II) mẫu nước thải Hình 2.24 Sự hấp phụ động ion Ni(II) mẫu nước thải Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 53 Kết nghiên cứu cho thấy, với 1g vật liệu hấp phụ hồn tồn 1250mL dung dịch Mn(II) có nồng độ ban đầu 8,57mg/L 1100mL Ni(II) có nồng độ ban đầu 9,49mg/L mẫu giả hấp phụ 1200mL nước thải chứa Mn(II) với nồng độ ban đầu 4,12 mg/L 1100mL nước thải chứa Ni(II) với nồng độ ban đầu 6,23 mg/L Điều cho thấy, ảnh hưởng số ion lạ mẫu thực đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 54 KẾT LUẬN Dựa vào kết thực nghiệm thu được, rút số kết luận sau: Đã chế tạo vật liệu hấp phụ từ sắt(III) nitrat, silicat photphat, đãnghiên cứu số đặc trưng hoá lý vật liệu phương pháp SEM, BET, IR XRD Đã xây dựng đánh giá đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) Ni(II) phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử Đã xác định điểm đẳng điện vật liệu hấp phụ pI= 7,8 Đã khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu phương pháp hấp phụ tĩnh Đó là: thời gian tiếp xúc; pH dung dịch nghiên cứu, khối lượng vật liệu ảnh hưởng cation Ca(II), Al(III) Zn(II) Dung lượng hấp phụ cực đại ion theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir đạt 15,95mg/g Mn(II); đạt 18,48 (II) Các ion Ca(II), Al(III) Zn(II) làm giảm khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu pháp hấp phụ động Kết nghiên cứu cho thấy, với 1g vật liệu hấp phụ hồn tồn 1250mL dung dịch Mn(II) có nồng độ ban đầu 8,57mg/L 1100mL Ni(II) có nồng độ ban đầu 9,49mg/L mẫu giả Đã thăm dò khả xử lí Mn(II), Ni(II) mẫu nước thải vật liệu Kết cho thấy với gam vật liệu hấp phụ hồn tồn 1200mL nước thải chứa ion Mn(II) có nồng độ ban đầu 4,12mg/L 11 Ni(II) có nồng độ ban đầu 6,23mg/L Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 55 Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lí nước nước thải, Nhà Xuất Thống Kê Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh, Cao Hồng Phúc, Phan Thị Việt Hà (2013), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit La2O3 kích thước nanomet để hấp thụ As(V) từ dung dịch”, Tạp chí Hóa học, tập 51, số 3AB, tr29-32 (2010), , , tập 45, số 07, tr280- 297 Nguyễn Tinh Dung, Hồ Viết Quý (1991), Các phương pháp phân tích lý hóa, Nhà Xuất Trần Tứ Hiếu (2003), Phân tch trắc quang phổ hấp thụ UV-vis, Nhà Xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Đỗ Trà Hương (2013), “Nghiên cứu khả hấp phụ Mn(II) đánh giá khả xúc tác oxi hóa xanh metylen phân hủy metylen xanh vật liệu oxit nano -Fe2O3”, Tạp chí Hóa học, T.51(3AB), tr.265-269 Hồng Nhâm (2003), Hóa học vơ cơ, tập 2, tập 3, Nhà Xuất Giáo dục Trần Văn Nhân (1999), Hóa lý tập 3, Nhà Xuất Giáo Dục Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (2004), Giáo trình hóa lý tập 2, Nhà xuất Giáo dục 10 Nguyễn Thị Tố Loan (2011), Nghiên cứu chế tạo số nano oxit sắt, mangan khả hấp phụ asen, sắt, mangan nước sinh hoạt, Luận án Tiến sỹ Hóa học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 11 Nguyễn Thị Tố Loan, Nguyễn Thị Yến (2014), “Nghiên cứu khả hấp phụ 3+ Fe vật liệu nano ZnO pha tạp Ni”, Tạp chí Hóa học, T.52(5A), tr.229-232 12 , , 2, tr.24-31 Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN n 56 13 Ngô Thị Mai Việt (2010), Nghiên cứu tnh chất hấp thu đá ong khả ứng dụng phân tch xác định kim loại nặng, Luận án Tiến sĩ Hoá học, Trường ĐH KHTN - ĐHQG Hà Nội 14 A Akilil, M Mouflih, S Sebti (2004), “Removal of heavy metal ions from water by using calcined phosphate as a new adsorbent”, Journal of Hazardous Materials A 112 (2004), pp 183 – 190 15 Abdusalam Uheida, German Salazar-Alvarez, Eva Bjorkman, Zhang Yu, Mamoun Muhammed (2006), “Fe3O4 and γ-Fe2O3 nanoparticles for the adsorption of Co 2+ from aqueous solution”, Jounal of Colloid and Interface Science, 298, pp 501-507 16 Atul Kumar Kushwaha, Neha Gupta, M.C Chatopadhyaya (2013), “Dynamics of adsorption of Ni(II), Co(II), Cu(II) from aqueous solution onto newly synthesized poly(N-(4-(4- (aminophenyl)methylphenylmethacrylamide)))”,Arabian Journal of Chemistry, pp.1-9 17 Carol A Martinson, K J Reddy (2009), “Adsorption of arsenic (III) and arsenic (V) by cupric oxide nanoparticles”, Journal of Colloid and Interface Science, 336, pp 406 -411 18 David Harvey (2000), Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill, The United States of America 19 Gao-Sheng Zhang, Jiu Hui Qu, Hui Juan Liu, Rui Ping Liu and Guo Ting Li (2007), “Removal mechanism of As(III) by a novel Fe-Mn binary oxide adsorbent: Oxidation and Sorption”, Environmental Science Technology, 41, pp 46134619 20 Shitong Yang, Jiaxing Li, Dadong Shao, Jun Hu, Xiangke Wang (2009), “Adsorption of Ni(II) on oxidized multi-walled carbon nanotubes: Effect of contact time, pH, foreign ions and PAA”, Journal of Hazardous Materials (166) pp.109-116 21 3500 – Mn D,Persunlfate Method, Standard Methods Số hóa Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN 58 http://www.lrc.tnu.edu.vn ... hướng nghiên cứu đó, chúng tơi chọn đề tài: Nghiên cứu khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu chế tạo từ sắt(III) nitrat, silicat phophat thăm dò xử lý mơi trường Trong : - Chế tạo vật liệu hấp phụ. .. đẳng điện vật liệu hấp phụ - Nghiên cứu khả hấp phụ số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu theo phương pháp hấp phụ tĩnh - Nghiên cứu khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu theo... nhiên, số vật liệu hấp phụ chế tạo từ hóa chất tinh khiết nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu nhằm mục đích hấp phụ ion kim loại môi trường nước nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit nano, vật liệu canxi