Tổng hợp và nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp lòng trắng trứng và đồng kết tủa

Bằng phương pháp đồng kết tủa các cation Ni2+ và Fe3+ trong nước sôi và bằng lòng trắng trứng, sau đó nung mẫu bột thu được ở 550, 650 và 750°C (t = 3h) đã tổng hợp được vật liệu nano NiFe2O4 với kích thước hạt < 30nm. Tổng hợp bột nano NiFe2O4 bằng phương pháp đồng kết tủa làm giảm kích thước hạt và tăng tính đồng nhất của bột vật liệu so với phương pháp lòng trắng trứng. Thực nghiệm cũng chứng minh rằng có thể sử dụng vật liệu nano NiFe2O4 làm vật liệu hấp phụ ion Pb2+ trong các nguồn nước bị nhiễm chì.

Năm học 2011 - 2012 TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU NANO NiFe2O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÒNG TRẮNG TRỨNG VÀ ĐỒNG KẾT TỦA Liêu Diệp Hân, Nguyễn Thị Ngọc Trinh (SV năm 3, Khoa Hóa học) GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến TĨM TẮT Bằng phương pháp đồng kết tủa cation Ni2+ Fe3+ nước sơi lịng trắng trứng, sau nung mẫu bột thu 550, 650 750°C (t = 3h) tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 với kích thước hạt < 30nm Tổng hợp bột nano NiFe2O4 phương pháp đồng kết tủa làm giảm kích thước hạt tăng tính đồng bột vật liệu so với phương pháp lòng trắng trứng Thực nghiệm chứng minh sử dụng vật liệu nano NiFe2O4 làm vật liệu hấp phụ ion Pb2+ nguồn nước bị nhiễm chì Mở đầu Trong năm gần đây, ngành vật liệu nano vô xuất nhiệm vụ quan trọng - tổng hợp vật liệu khác với hạt cấu trúc có kích thước nanomet Nhiệm vụ xuất phát triển vũ bão ngành cơng nghệ nano sử dụng vật liệu tinh thể nano mà có tổ hợp tính chất khác so với vật liệu khối thông thường thành phần hóa học Vật liệu nano ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực quang học, y sinh học, ngành điện tử nano, an ninh quốc phòng nhiều lĩnh vực khác [1, 8, 11] Tổng hợp vật liệu nano oxit với cấu trúc spinel – AB2O4 (trong đó, A kim loại chuyển tiếp họ d Mn, Zn, Co, Ni, Fe, v.v…, B Fe, Al) gây ý nhiều nhà nghiên cứu, vật liệu có tổ hợp nhiều tính ứng dụng quan trọng độ nhạy cao giảm kích thước hạt cấu trúc đến giá trị nanomet Ngày nay, để tổng hợp vật liệu nano ferrite người ta thường sử dụng phương pháp đồng kết tủa ion từ dung dịch lỏng chúng Phương pháp đảm bảo tính đồng hóa học hoạt tính cao bột ferrite tạo thành [4, 9, 10] Thực nghiệm cho thấy, hạt bột sản phẩm điều chế theo phương pháp đồng kết tủa thường có kết tụ, gây ảnh hưởng đến tính chất vật liệu sản xuất từ chúng [10, 11] Các yếu tố gây ảnh hưởng đến trình kết tụ oxit kim loại kể đến nồng độ dung dịch ban đầu, giá trị pH môi trường, nhiệt độ, chất dung môi, thứ tự kết tủa, chất hoạt động bề mặt, … Để giảm kích thước hạt đến giá trị nanomet, nhiều tác giả khảo sát ảnh hưởng chất có hoạt tính bề mặt lên trình hình thành bột nano NiFe2O4 (trong trường hợp riêng, sử dụng lòng trắng trứng để kết dính bao phủ bề mặt bột oxit) [6] Tuy nhiên, tổng hợp nano ferrite NiFe2O4 cách đồng kết tủa 25 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH cation Fe3+ Ni2+ nước sơi, sau cho tác nhân kết tủa kiềm, tài liệu trích dẫn chưa tìm thấy Mục tiêu đề tài khảo sát hai phương pháp tổng hợp vật liệu nano ferrite NiFe2O4 lòng trắng trứng đồng kết tủa nước sôi, bước đầu nghiên cứu khả hấp phụ ion Pb 2+ vật liệu tổng hợp Phương pháp thực nghiệm Các chất ban đầu sử dụng dung dịch muối Ni(NO3)2 0.5M Fe(NO3)3 0.5M Dung dịch hỗn hợp muối trộn lẫn theo tỉ lệ mol Ni 2+: Fe3+ = : trước tiến hành kết tủa Vật liệu bột nano tổng hợp theo hai phương pháp sau: Phương pháp 1: Vừa nhỏ vừa khuấy hỗn hợp đương lượng muối Ni(NO3)2 Fe(NO3)3 vào cốc đựng 60 ml lịng trắng trứng có pha nước cất Sau cho hết dung dịch muối vào cốc đun cách thủy máy khuấy từ nhiệt độ khoảng 800C đến thu bột precursor có màu nâu sẫm Phương pháp 2: Nhỏ từ từ vào cốc nước sôi dung dịch đương lượng muối Ni(NO3)2 Fe(NO3)3 Sau cho hết dung dịch muối vào cốc tiếp tục đun sôi thêm 7-10 phút Để nguội dung dịch thu đến nhiệt độ phòng cho từ từ dung dịch KOH 10% vào hệ Kết tủa tạo thành khuấy khoảng 15-20 phút Sau lọc rửa kết tủa phơi khô nhiệt độ phịng đến khối lượng khơng đổi Trong hai phương pháp, hỗn hợp bột thu đem nung ngồi khơng khí từ nhiệt độ phịng đến 7500C để kiểm tra hoàn thiện việc kết tinh tạo pha đồng Thành phần pha bột tạo thành kiểm tra phương pháp nhiễu xạ tia X máy D8 Advance – Bruker Trường Đại học (ĐH) Bách khoa TPHCM Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội Kích thước hình thái hạt quan sát kính hiển vi điện tử quét - FE SEM Model S4800 Hitachi Viện Hóa học TPHCM Viện Công nghệ cao TPHCM Nghiên cứu khả hấp phụ ion Pb2+ vật liệu nano NiFe2O4 theo thời gian tiến hành máy UV-VIS phịng thí nghiệm Hóa phân tích, Khoa Hóa, Trường ĐHSP TPHCM (M 001), thực nhiệt độ phòng Các mẫu chuẩn bị sau: cân lượng bột NiFe2O4 xác định cho vào bình tam giác 250 ml chứa dung dịch Pb2+ có nồng độ nằm khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer pH = [9] Sau lắc mẫu khoảng thời gian 5, 10, 15 20, 30, 40, 50, 60 phút Khi lắc mẫu xong, lọc lấy dung dịch thu tiến hành pha với thuốc thử PAR pH = 10 Sau đo mật độ quang mẫu máy UV-VIS Kết thảo luận Từ giản đồ phân tích nhiệt DTA/TGA tổng hợp nano ferrite NiFe2O4 [8], nhóm tác giả chọn nhiệt độ nung mẫu 550, 650 7500C thời gian 3h để khảo sát 26 Năm học 2011 - 2012 phương pháp XRD, SEM nghiên cứu khả hấp phụ ion Pb 2+ vật liệu tổng hợp Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (hình 1a), ta thấy hình thành pha đồng mẫu bột điều chế theo phương pháp xảy 5500C 3h Tiếp tục nâng nhiệt độ lên 650 0C hay 7500C khoảng thời gian 3h, không thấy xuất peak tạp chất Tương tự, mẫu bột điều chế phương pháp đồng kết tủa (phương pháp 2), sau nung 6500C 7500C (t = 3h) (hình 2), ta quan sát thấy pha tinh thể NiFe2O4 hình thành Từ giản đồ XRD (hình 2), ta thấy khơng phụ thuộc vào phương pháp điều chế, nhiệt độ nung mẫu cao độ kết tính hồn thiện, điều thể qua cường độ peak cao nhiệt độ nung tăng Hình Phổ XRD bột điều chế lòng trắng trứng sau nung nhiệt độ 550 0C (a), 6500C (b); 750 0C (c) 3giờ 27 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH Nghiên cứu mẫu bột NiFe2O4 điều chế từ lòng trắng trứng kính hiển vi điện tử quét (SEM), ta thấy sau nung mẫu 5500C (t = 3h) hạt tạo thành có kích thước hình thái hạt đa dạng (hình 3), đặc biệt ta thấy xuất tinh thể nano hình kim với chiều dài đạt tới vài trăm nanomet, đường kính vài nanomet, lòng trắng trứng bao phủ hạt nano NiFe2O4 chưa cháy hết có tạo thành dây hay ống nano cacbon Khi tăng nhiệt độ nung lên 650 0C 7500C dạng hạt hình kim khơng cịn nữa, nhiệt độ bột tạo thành có kích thước hình thái hạt tương đơi đồng (kích thước khoảng 20 – 30 nm) (hình 4) Tuy nhiên bột nano NiFe2O4 tạo thành trường hợp có kết tụ thành đám nằm riêng biệt (đặc biệt mẫu bột sau nung 650°C) Hình Phổ XRD mẫu bột NiFe2O4 điều theo phương pháp sau nung 650 0C (a) 7500C Hình Ảnh SEM mẫu bột sau nung 550°C 3h với độ phóng đại khác 28 Năm học 2011 - 2012 Hình Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp lòng trắng trứng sau nung 650°C (a) 750°C (b) Bột ferrite NiFe2O4 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa nước sôi với tác nhân kết tủa KOH, sau nung 6500C (t = 3h) có cấu tạo hạt đồng hình thái với kích thước hạt cấu trúc 10 – 15 nm (hình 5, a) Khi tăng nhiệt độ nung lên 750 0C khoảng thời gian 3h kích thước hạt phát triển khơng đáng kể (hình 5, b) Hình Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp phương pháp đồng kết tủa sau nung 650°C (a) 750°C (b) Như vậy, nói bột nano NiFe2O4 tổng hợp phương pháp đồng kết tủa nước sôi với tác nhân kết tủa kiềm có kích thước hạt bé đồng hình thái hạt so với mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp lòng trắng trứng sau nung khoảng thời gian Mơi trường nói chung mơi trường nước nói riêng bị ô nhiễm nghiêm trọng Môi trường nước Việt Nam xuống cấp cục Tình trạng báo động nước ta nước thải hầu hết sở sản xuất xử lí sơ bộ, chí chưa xử lí thải mơi trường Trong nước thải chứa nhiều chất 29 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH độc hại như: chất hữu ion kim loại nặng như: Cu, Ni, Pb, Cd, Fe, Zn… [1, tr.8-12] Vì ngồi việc nâng cao ý thức người dân, xiết chặt việc quản lí mơi trường việc tìm biện pháp xử lí nhằm loại bỏ thành phần độc hại khỏi môi trường có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Có nhiều cách khác để loại bỏ kim loại nặng khỏi nước trao đổi ion, thẩm thẩu ngược, lọc nano, kết tủa hấp phụ Trong hấp phụ phương pháp có nhiều ưu điểm so với phương pháp khác vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm Chính vậy, vấn đề nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu Trong đề tài này, giới thiệu số kết nghiên cứu bước đầu khả hấp phụ ion Pb2+ vật liệu nano NiFe2O4 sản xuất lịng trắng trứng dựa theo phương trình đường chuẩn Trong môi trường pH = 10, ion Pb2+ tạo phức với PAR có màu đỏ thích hợp cho việc định lượng chì phương pháp trắc quang Hàm lượng chì xác định theo cường độ hấp phụ màu phức đo bước sóng 520nm, sử dụng cuvet 1cm Dung dịch Pb2+ chuẩn có nồng độ 10mg/l, đệm thêm dung dịch amoni với thuốc thử thử PAR 0,1% Tiến hành định lượng xây dựng đường chuẩn, ta thu kết bảng số liệu sau (bảng 1): Dung dịch Bảng Thí nghiệm thiết lập đường chuẩn Mẫu Pb2+ 10 mg/l; (ml) 10 20 25 30 35 Đệm amoni hidroxit; (ml) 1 1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Thuốc thử PAR; (ml) CPb2+; (mg/l) Độ hấp thụ A 0,1104 0,2055 0,2791 0,3356 0,4128 Từ số liệu thực nghiệm đo độ hấp thụ hàm lượng Pb 2+ dung dịch chuẩn, ta xây dựng đồ thị đường chuẩn tương quan độ hấp thụ khối lượng khối lượng chì (hình 6) Ta có phương trình tương quan độ hấp thụ khối lương Pb2+ (phương trình đường chuẩn): y = 0,0604x - 0,021 với hệ số tương quan R = 0,995 > 0,95 chấp nhận Tiến hành khảo sát độ hấp phụ ion Pb 2+ vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp lòng trắng trứng ta thu kết bảng 30 Năm học 2011 - 2012 Hình Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng Pb 2+ Bảng Kết thực nghiệm đo độ hấp phụ ion Pb2+ vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp lòng trắng trứng (với khoảng thời gian cách 10 phút) Thời gian hấp CPb2+; Lượng chì hấp Mẫu A phụ (phút) (mg/l) phụ (mg/l) 0,3047 5,397 0 10 0,2770 4,938 0,459 20 0,3001 5,321 0,076 30 0,2580 4,623 0,773 40 0,2494 4,480 0,916 50 0,2456 4,418 0,979 60 0,2454 4,414 0,983 Bảng Kết thực nghiệm đo độ hấp phụ ion Pb2+ vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp lòng trắng trứng (với khoảng thời gian cách phút) Thời gian hấp phụ Lượng chì hấp phụ Mẫu A C (mg/l) (phút) (mg/l) 0,3757 6,573 0 0,3683 6,451 0,123 10 0,3443 6,053 0,520 15 0,3330 5,866 0,707 20 0,335 5,899 0,675 Cách tiến hành sau: cân 0,01 g bột nano NiFe2O4 lắc với dung dịch chuẩn Pb2+ 10 mg/l môi trường pH= với tốc độ lắc 250 vịng/s Sau lọc lấy dung dịch sau hấp phụ, cần chuẩn bị mẫu trắng chưa qua hấp phụ để so sánh Sau đó, tiến hành đo quang với điều kiện làm với dãy chuẩn, ghi lại kết A 31 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH từ tính C tương ứng từ đường chuẩn Hiệu số nồng độ chì trước hấp phụ giá trị nồng độ chì đo sau hấp phụ lượng chì hấp phụ Từ kết thực nghiệm thu (bảng 2, hình 7), ta thấy mật độ quang A giảm dần tăng thời gian hấp phụ, điều tương đương với khả hấp phụ vật liệu tăng tăng thời gian hấp phụ a) b) Hình Đồ thị biểu diễn hàm lượng chì hấp phụ (mg/l) theo khoảng thời gian phút (a) 10 phút (b) Kết luận Bằng phương pháp lòng trắng trứng đồng kết tủa cation Ni 2+ Fe3+ tổng hợp vật liệu bột nano NiFe2O4 với kích thước hạt < 30 nm Điều chế nano NiFe2O4 phương pháp đồng kết tủa thu bột với cấu trúc hạt đồng giảm kích thước hạt đáng kể so với phương pháp lịng trắng trứng Thực nghiệm cho thấy, sử dụng bột nano NiFe2O4 làm vật liệu hấp phụ ion Pb2+ nguồn nước nhiễm chì với ưu điểm dễ tổng hợp, rẻ tiền, thân thiện với môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Hải Đăng (2011), Tổng hợp vật liệu kiểu perovskit kích thước nanomet nghiên cứu hoạt tính xúc tác oxi hóa chúng, luận án tiến sĩ Hóa học, Trường ĐHSP Hà Nội Phạm Thị Hạnh, Phạm Văn Tình, Đinh Khắc Tùng (2010), “Điện phân MnO2 từ quặng tự nhiên pyroluzit cho xử lí asen nước giếng khoan”, Tạp chí Hóa học, tập 48, số 4C, tr 290-294 Hồng Ngọc Hiền, Lê Hữu Thiềng (2008), “Nghiên cứu khả hấp phụ ion Ni2+ môi trường nước vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía ứng dụng vào xử lí mơi trường”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, số (46), tập 32 Năm học 2011 - 2012 Nguyễn Quang Hiển (2010), Nghiên cứu tổng hợp hạt nano ơxít sắt từ Fe3O4 bọc [3-(2,3-epoxypropyoxy)-propyl] trimethoxysilane để ứng dụng y-sinh học, Trường ĐHSP TP HCM Đỗ Trà Hương (2010), “Nghiên cứu khả hấp phụ ion Cu2+, Ni2+ than bùn Việt Yên - Bắc Giang”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lí Sinh học, tập 15, số 4, tr 150-154 Santi Maensiri, Chivalrat Masingboon, Banjong Boonchomb and Supapan Seraphin (2007), A simple route to synthesize nickel ferrite (NiFe 2O4) nanoparticles using egg white, Thailand Lê Hữu Thiềng, Hoàng Ngọc Hiền (2008), “Nghiên cứu khả hấp phụ Cu2+ Pb2+ vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía", Tạp chí Phân tích Hóa, Lí Sinh học, Tập 13, số 3, tr 77-82 Đỗ Thị Anh Thư (2011), Chế tạo nghiên cứu tính chất cảm biến nhạy cồn sở vật liệu oxit perovskite, luận án tiến sĩ Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Hà Nội Nguyen Anh Tien, Mittova I Ya (2007), “Tổng hợp bột nano LaFeO3 phương pháp sol-gel”, VII International scientific conference Solid state chemistry and medern micro- and nanotechnologies, Kislovodsk, Russia 10 Nguyen Anh Tien, Mittova I Ya (2008), “Preparation of lanthanum ferrite nanopowders doped with strontium by the sol–gel method”, Sviridov Readings 2008–international conference on chemistry and chemical education Conference materials, Minsk, Belarus 11 Nguyễn Anh Tiến (2009), Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu nano La(Y)FeO3 luận án tiến sĩ Hóa học, Trường ĐHTH Voronezh, Liên bang Nga 12 Tivette Vaughan, Chung W seo and Wayne, E Mashall (2001), “Remove of selected metal ions from solution using modified corncobs”, Bioresource Technology, Vol 82, issue 3, pp 274-251 33 ... nhân kết tủa kiềm, tài liệu trích dẫn chưa tìm thấy Mục tiêu đề tài khảo sát hai phương pháp tổng hợp vật liệu nano ferrite NiFe2O4 lòng trắng trứng đồng kết tủa nước sôi, bước đầu nghiên cứu khả. .. Kết luận Bằng phương pháp lòng trắng trứng đồng kết tủa cation Ni 2+ Fe3+ tổng hợp vật liệu bột nano NiFe2O4 với kích thước hạt < 30 nm Điều chế nano NiFe2O4 phương pháp đồng kết tủa thu bột với... Hình Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp phương pháp đồng kết tủa sau nung 650°C (a) 750°C (b) Như vậy, nói bột nano NiFe2O4 tổng hợp phương pháp đồng kết tủa nước sôi với tác nhân kết tủa kiềm có kích