Hấp phụ kim loại nặng trong nước trên sba 16 biến tính

1 Đại học Quốc Gia Tp.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRÌNH THỊ KIM CHI HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC TRÊN SBA-16 BIẾN TÍNH Chun ngành: Cơng nghệ Hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HẠNH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày ……… tháng ……… năm ……… Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chửa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày ……….tháng …… năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRÌNH THỊ KIM CHI Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 17/4/1983 Nơi sinh: TPHCM Chun ngành: Cơng nghệ Hóa học MSHV: 00508393 I – TÊN ĐỀ TÀI: Hấp phụ kim loại nặng SBA-16 biến tính II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: + Tổng quan môi trường nước, ô nhiễm kim loại nặng vật liệu mao quản trung bình SBA-16 + Tổng hợp SBA-16 biến tính bề mặt SBA-16 + Khảo sát đặc trưng vật liệu SBA-16 SBA-16 biến tính + Hấp phụ kim loại nặng nước SBA-16 biến tính + Xác định hàm lượng kim loại nặng nước lại sau hấp phụ + Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Langmuir + Khảo sát động học trình hấp phụ III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/1/2010 IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2010 V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HẠNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ, nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ, đóng góp q báu từ gia đình, thầy bạn bè Với lịng biết ơn chân thành, tơi xin trân trọng gửi lời cám ơn đến: - PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh nhiệt tình hướng dẫn tơi suốt thời gian thực luận văn - Các thầy cô môn Kỹ thuật Hóa lý giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn - Gia đình, đặc biệt ba mẹ chăm sóc, hỗ trợ động viên suốt thời gian qua - Bạn Ngơ Thị Quỳnh Như (Viện Cơng nghệ Hóa học) hỗ trợ việc đo AAS, bạn Nguyễn Thị Quỳnh Giao, Lê Tuyết Mai Hà, Võ Đức Thắng (Đại học Bách Khoa) nhiệt tình phụ giúp tơi việc làm thí nghiệm Mặc dù cố gắng hết sức, luận văn tránh khỏi thiếu sót Mong thầy bạn thơng cảm Trân trọng Tp.HCM, tháng năm 2011 Trình Thị Kim Chi TĨM TẮT Vật liệu mao quản trung bình SBA-16 tổng hợp từ nguồn nguyên liệu vô rẻ tiền Natri silicat Na2SiO3.9H2O, sau biến tính bề mặt nhóm –NH2 Hóa chất dùng để biến tính sử dụng 3-amino-propyl triethoxysilane Các phương pháp nhiễu xạ tia X, hồng ngoại, bề mặt riêng BET, kính hiển vi điện tử sử dụng để xác định đặc trưng vật liệu SBA-16 trước sau biến tính Kết cho thấy cấu trúc vật liệu SBA-16 trước sau biến tính khơng bị thay đổi SBA-16 sau biến tính nhóm amin có khả hấp phụ ion kim loại nước Cr6+, Ni2+ Cu2+ Phương pháp AAS sử dụng để đo hàm lượng kim loại lại dung dịch sau hấp phụ Kết cho thấy khả hấp phụ tốt Cr 76.19% pH=1, Ni 85.20% pH=7 Cu 97.86% pH=7 Quá trình hấp phụ tuân theo phương trình đẳng nhiệt Freundlich Hệ số tương quan (R) thu từ phương trình Freundlich Cr 0.9886, Ni 0.9950 Cu 0.9987, lớn hệ số thu từ phương trình Langmuir Cr 0.6383, Ni 0.8316 Cu 0.9833 Động học trình hấp phụ ion kim loại nặng SBA-16 biến tính thiết lập: q trình hấp phụ diễn theo dạng động học bậc hai động học khuếch tán ABSTRACT Amine-modified SBA-16 was obtained in the synthesis of mesoporous silica from a cheap inorganic silic source such as sodium silicate Na2SiO3.9H2O then its surface was functionalized with –NH2 groups The 3-amino-propyl triethoxysilane was used for amination of SBA-16 The product was characterized by XRD, IR, BET surface and TEM images Results showed that after surface modification, the material retained original structure and feature Amine-modified SBA-16 was used to remove heavy metals such as Cr6+, Ni2+ and Cu2+ from aqueous solution The concentrations of metals in solution were determined by AAS method The adsorptive capacity of Cr6+ was 76.19% at pH1, Ni2+ - 85.20% at pH7 and Cu2+ - 97.86% at pH7 The adsorption processes were well adapted to the Freundlich isotherms It is noted that the Freundlich equation has better correlation coefficient, than that of the Langmuir The pseudo-second-order and diffusion equations were fitted well to the adsorption data of the three metals DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MQTB Mao quản trung bình HĐBM Hoạt động bề mặt TEOS Tetraethyl orthosilicate TMOS Tetramethyl orthosilicate AAS Atomic Absorption Spectrometric APTES 3-amino-propyl triethoxysilane F127 Pluronic F127, (PEO) MCM Mobil Composition of Matter PEO Poly(ethylene oxide) PPO Poly(propylene oxide) SBA-16 Santa Barbara Amorph No.16 TEM Transmission Electron Microscope- (Kính hiển vi điện tử truyền qua) TTAB Tetratridecyl ammonium Bromide, [C H N]Br CTAB Cetyl trimethylammonium bromide, [C H N]Br 106 (PPO) (PEO) 70 106 17 19 35 42 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 14 CHƯƠNG TỔNG QUAN 17 1.1 Giới thiệu chung 17 1.2 Môi trường nước ô nhiễm kim loại 18 1.2.1 Môi trường nước vai trị 18 1.2.2 Ơ nhiễm mơi trường nước 19 1.2.3 Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước 19 1.2.4 Ảnh hưởng kim loại nặng đến sức khỏe người 20 1.3 Kim loại Crom, Niken Đồng 21 1.3.1 Tổng quan Crom, Niken Đồng 21 1.3.2 Ảnh hưởng Crom, Niken Đồng người, động vật thực vật 23 1.3.3 Nước thải có chứa Cr, Ni Cu 25 1.4 Tổng quan vật liệu mao quản trung bình 27 1.4.1 Vật liệu mao quản trung bình 27 1.4.2 Vật liệu mao quản trung bình silica 28 1.4.3 Vật liệu MQTB silica SBA-16 31 1.5 Vấn đề biến tính SBA-16 35 1.6 Phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu 39 1.6.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 39 1.6.2 Phương pháp hấp thu hồng ngoại IR 41 1.6.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng BET 42 1.6.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 43 1.7 Phương pháo AAS xác định hàm lượng kim loại 44 1.8 Phương trình đường dẳng nhiệt hấp phụ 46 1.8.1 Sự hấp phụ chất điện ly 46 1.8.2 Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ 47 1.9 Động học trình hấp phụ 49 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 51 2.1 Tổng hợp SBA-16 51 2.1.1 Hóa chất 51 2.1.2 Quy trình 51 2.2 Biến tính SBA-16 52 2.2.1 Hóa chất 52 2.2.2 Quy trình 53 2.3 Khảo sát đặc trưng vật liệu 53 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 53 2.3.2 Phương pháp hấp thu hồng ngoại IR 53 2.3.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng BET 54 2.3.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 54 2.4 Hấp phụ kim loại nặng SBA-16 biến tính 54 2.4.1 Hóa chất 54 2.4.2 Thực nghiệm 54 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 56 3.1 Các đặc trưng SBA-16 trước sau biến tính 56 3.1.1 Nhiễu xạ tia X 56 3.1.2 Hấp thu hồng ngoại IR 57 3.1.3 Diện tích bề mặt riêng BET 58 3.1.4 Kính điện tử truyền qua TEM 58 3.2 Hấp phụ kim loại nặng SBA-16 không biến tính 59 3.3 Hấp phụ kim loại nặng SBA-16 biến tính 60 3.3.1 Hấp phụ kim loại Cr 60 3.3.1 Hấp phụ kim loại Ni 64 10 3.3.3 Hấp phụ kim loại Cu 68 3.3.4 Nhận xét 73 3.4 Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ 74 3.4.1 Kim loại Cr 74 3.4.2 Kim loại Ni 75 3.4.3 Kim loại Cu 76 3.4.4 Nhận xét 77 3.5 Động học trình hấp phụ 78 3.5.1 Kim loại Cr 79 3.5.2 Kim loại Ni 80 3.5.3 Kim loại Cu 81 3.5.4 Nhận xét 82 3.6 Tính tốn thơng số nhiệt động lực học 83 CHƯƠNG KẾT LUẬN 84 KIẾN NGHỊ 85 CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 93 88 10 R Rockmann, G Kalies, O Klepel, Liquid-phase adsorption experiments on ordered mesoporous silicas, Adsorption, (2007), 13, 515–522 11 Jae Wook Lee, Dae Lim Cho, Wang Geun Shim and Hee Moon, Application of Mesoporous MCM-48 and SBA-15 Materials for the Separation of Biochemicals Dissolved in Aqueous Solution, Korean J Chem Eng., (2004), 21(1), 246-251 12 J Deere, E Magner, J.G Wall, and B.K Hodnett, Adsorption and activity of proteins onto mesoporous silica, Catalysis Letters, (2005), Vol 85, Nos 1–2, 1923 13 Oliver Christian Gobin, SBA-16 Materials: Synthesis, Diffusion and Sorption Properties, (2006), Laval University, Ste-Foy, Quebec, Canada 14 Sang-Cheol Han, Sujandi, and Sang-Eon Park, Fuctionalization of SBA-16 Mesoporous Materials with Cobalt(III) Cage Amine Complex, Bull Korean Chem Soc, (2005), Vol 26 – No 9, 1381-1384 15 Young Kyu Hwang, Doek-Kyu Kim, Ajit Singh Mamman, Sang Eon Park, and Jong-San Chang, Fabrication of Nanodispersed Pt-Sn/SBA-16 Catalysts and Their Catalytic Applications, Chemistry Letters, (2007), Vol.36, No.1,186-187 16 Sang-Cheol Han, Sujandi, and Sang-Eon Park, Funtionalization of SBA-16 Mesoporous Materials with Cobalt(III) Cage Amine Complex, Bull Korean Chem Soc, (2005), Vol.26, No.9, 1381-1384 17 Antje Daehler, Sasha Boskovic, Michelle L Gee, Frances Separovic, Geoffrey W Stevens and Andrea J O’Connor, Postsynthesis Vapor-Phase Functionalization of MCM-48 with Hexamethyldisilazane and 3-Aminopropyldimethylethoxylsilane for Bioseparation Applications, J Phys Chem B, (2005), 109, 16263-16271 18 Xiang-Ying Hao, Yin-Qing Zhang, Jun-Wei Wang, Wei Zhou, Cui Zhang, Shuangxi Liu, A novel approach to prepare MCM-41 supported CuO catalyst with high metal loading and dispersion, Microporous and Mesoporous Materials, (2006), 88, 38–47 89 19 Aoife M Burke, John P Hanrahan, David A Healy, John R Sodeau, Justin D Holmes, Michael A Morris, Large pore bi-functionalised mesoporous silica for metal ion pollution treatment, Journal of Hazardous Materials, (2009), 164, 229– 234 20 Mansoor Anbia, Maryam Lashgari, Synthesis of amino-modified ordered mesoporous silica as a new nano sorbent for the removal of chlorophenols from aqueous media, Chemical Engineering Journal, (2009), 150, 555–560 21 Ali Md Showkat, Yu-Ping Zhang, Min Seok Kim, Anantha Iyengar Gopalan, Kakarla Raghava Reddy, and Kwang-Pill Lee, Analysis of Heavy Metal Toxic Ions by Adsorption onto Amino-functionalized Ordered Mesoporous Silica, Bull Korean Chem Soc., (2007), Vol 28 No 11, 1985-1992 22 Riina Turpien, Interaction between metals, microbes and plant Bioremendiation of arsenic and lead contaminated soils, (2002), A dissertation of University of Helsinki, Findland 23 Lê Huy Bá, Độc học môi trường bản, (2008), Nhà xuất Đại học Quốc gia, TPHCM 24 Nguyễn Văn Phước, Kỹ thuật xử lý chất thải công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, 160-181 25 Trần Thị Bình, Cơ sở hóa học phức chất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, (2008), 183-221 26 Hồng Nhâm, Hóa học vơ – Tập 3, (2005), Nhà xuất Giáo dục 27 Nguyễn Đình Soa, Hóa vơ cơ, (2000), Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM 28 PGS.TS Nguyễn Thiện Nhân, Nguyễn Khắc Thanh, Sổ tay hướng dẫn Xử lý ô nhiễm môi trường sản xuất tiểu thủ công nghiệp, Sở Khoa học Công nghệ Môi trường TPHCM, (1998), Tập 1-3-4-5-8 90 29 Lâm Hoa Hùng, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu mao quản trung bình SBA-16 từ nguồn nguyên liệu vô cơ, Luận văn Thạc sĩ, (2008), Trường Đai học Bách khoa TPHCM 30 Lê Vĩnh Thông, Tổng hợp vật liệu mao quản trung bình mang nano từ tính, Luận văn Thạc sĩ, (2009), Trường Đại học Bách Khoa TPHCM 31 Trần Thị Đà, Nguyễn Hữu Đỉnh, Phức chất Phương pháp tổng hợp nghiên cứu cấu trúc, (2007), Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội 32 Xiaoming Xue, Fengting Li, Removal of Cu2+ from aqueous solution by adsorption onto functionalized SBA-16 mesoporous silica, Microporous and Mesoporous Materials, (2008), 116, 116–122 33 Nguyễn Thị Kim Phượng, Nghiên cứu quy luật hấp thu tích lũy Asen đồng từ đất ô nhiễm lên rau má rau cải xanh, Luận án Tiến sĩ Hóa học, (2008), Viện Cơng nghệ Hóa học 34 Y.S Ho, G McKay, Kinetics model for lead (II) sorption on peat, Adsorpt Sci technol 16, (1998), 243-255 35 Mai Hữu Khiêm, Hóa keo, (2004), Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM 36 Cristina Quintelas, Zélia Rocha, Bruna Silva, Bruna Fonseca, Hugo Figueiredo, Teresa Tavares, Removal of Cd(II), Cr6+, Fe(III) and Ni2+ from aqueous solutions by an E colibiofilm supported on kaolin, Chemical Engineering Journal, (2009), 149, 319-324 37 J.M.Esparza, M.L.Ojeda, A.Campero, G.Hern´andez, C.Felipe, M.Asomoza, S.Cordero, I Kornhauser, F Rojas, Development and sorption characterization of some model mesoporous and microporous silica adsorbents, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, (2005), 228, 97–110 38 Rafal M.Grudzien, Bogna E.Grabicka, Mietek Jaroniec, Adsorption and structural properties of channel-like and cage-like organosilicas, Adsorption, (2006), 12, 293–308 91 39 Johann Kecht, Axel Schlossbauer and Thomas Bein, Selective Functionalization of the Outer and Inner Surfaces in Mesoporous Silica Nanoparticles, Chem Mater, (2008), 20, 7207–7214 40 Jingyi Qiu, ZiyueWang, Huibo Li, Ling Xua, Jing Penga, Maolin Zhai, Chao Yang, Jiuqiang Li, GenshuanWei, Adsorption of Cr6+ using silica-based adsorbent prepared by radiation-induced grafting, Journal of Hazardous Materials, (2009), 166, 270–276 41 Hui Sun, Qinghu Tang, Yu Du, Xianbin Liu, Yuan Chen, Yanhui Yang, Mesostructured SBA-16 with excellent hydrothermal, thermal and mechanical stabilities: Modified synthesis and its catalytic application, Journal of Colloid and Interface Science, (2009), 333, 317–323 42 Richard M Pashley and Marilyn E Karaman, Applied Colloid and Surface Chemistry, (2004), Department of Chemistry, The National University of Australia, Canberra, Australia 43 Guozhong Cao, Nanostructures & Nanomaterials Synthesis – Properties & Applications, (2003), Chapter8, 329-391 44 S Lagergren, About the theory of the so-called adsorption of soluble subtances, Kungliga Svenska Vetenskapsakadenmius, Hadndlingar 24, (1898), 1-39 45 G.Q.Lu, X.S.Zhao, Nanoporous Materials – Science and Engineering, Imperial College Press, (2004), 1-140 46 D Reichenberg, Properties of Ion-exchange resins in relation to their structure, III, Kinetics of exchange, I.Am.Chem.Soc 75, (1953), 589-597 92 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRÌNH THỊ KIM CHI Ngày, tháng, năm sinh: 17/4/1983 Địa liên lạc: 78/36 An Dương Vương, p9, q5, TP.HCM Nơi sinh: TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: + 2001 – 2006: Học đại học trường Đại học Bách Khoa TP.HCM + 2008 – 2010: Học cao học trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC: + 2007 – 2008: Làm việc Viện Cơng nghệ Hóa học + 2008 – 2010: Dạy học trường THPT Tạ Quang Bửu Q8 93 PHỤ LỤC Phổ XRD mẫu SBA-16 chưa biến tính 94 Phổ XRD mẫu SBA-16 biến tính 95 Phổ IR mẫu SBA-16 chưa biến tính 96 Phổ IR mẫu SBA-16 biến tính 97 Kết đo BET mẫu SBA-16 chưa biến tính 98 99 Kết đo BET mẫu SBA-16 biến tính 100 101 Kết đo TEM mẫu SBA-16 chưa biến tính 102 Kết đo TEM mẫu SBA-16 biến tính ... trường nước, ô nhiễm kim loại nặng vật liệu mao quản trung bình SBA-16 + Tổng hợp SBA-16 biến tính bề mặt SBA-16 + Khảo sát đặc trưng vật liệu SBA-16 SBA-16 biến tính + Hấp phụ kim loại nặng nước SBA-16. .. biến tính 59 3.3 Hấp phụ kim loại nặng SBA-16 biến tính 60 3.3.1 Hấp phụ kim loại Cr 60 3.3.1 Hấp phụ kim loại Ni 64 10 3.3.3 Hấp phụ kim loại Cu 68... 2], hấp phụ Mn, Pb nước Bentonit biến tính [3, 4, 5], xử lý kim loại nặng nước thải cách hấp phụ trao đổi ion với xơ dừa vỏ trấu biến tính [6], sử dụng zeolite tự nhiên để hấp phụ kim loại nặng