Vật liệu oxit sắt phân tán trên vật liệu mang trong xử lý môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH HIẾU VẬT LIỆU OXIT SẮT PHÂN TÁN TRÊN VẬT LIỆU MANG TRONG XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN MINH HIẾU VẬT LIỆU OXIT SẮT PHÂN TÁN TRÊN VẬT LIỆU MANG TRONG XỬ LÍ MƠI TRƯỜNG Chun ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 60 44 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HỒNG HẢI Hà Nội – 2012 BẢNG KÍ HIỆU VIẾT TẮT KÝ HIỆU TIẾNG ANH DỊCH NGHĨA XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua AAS Atomic Absorption Spectroscopy Phổ phấp thụ nguyên tử ICP-MS Inductively Coupled Plasma Mass Khối phổ plasma cảm ứng Spectrometer FTIR Fourier Transform Infrared spectroscopy Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc lượng Khóa luận sử dụng dấu chấm để ngăn cách phần nguyên phần thập phân Lời nói đầu Trong vài thập niên gần đây, với phát triển khoa học, người tận thu đáng mà làm khánh kiệt nguồn tài nguyên Điều dẫn đến cân sinh thái làm biến đổi lớp vỏ bề mặt Đặc biệt, với phát triển văn minh công nghiệp làm giảm độ đa dạng sinh giới.Vì mơi trường bị đe dọa điều khơng tránh khỏi, số mơi trường nước bị ô nhiễm nghiêm trọng.Nước bị ô nhiễm chủ yếu khu vực nước vùng ven biển Do lượng muối khoáng hàm lượng chất hữu dư thừa, đặc biệt chất có vịng thơm phenol, phenol đỏ, phẩm nhuộm… làm cho sinh vật nước đồng hóa làm vẻ đẹp mĩ quan Kết làm cho hàm lượng oxi nước giảm đột ngột, khí CO2, CH4, H2S tăng lên Ơ nhiễm nước có nguyên nhân từ chất thải nước thải công nghiệp thải lưu vực sơng mà chưa qua xử lí mức, loại phân bón hóa học thuốc trừ sâu ngấm vào nguồn nước ngầm nước mặt, nước thải sinh hoạt từ khu dân cư ven sông… Vật liệu nano sâu vào đời sống đại chiếm ý nghĩa lớn đời sống người nhờ vào tính chất đặc biệt chúng mà vật liệu truyền thống trước khơng có Tính đặc biệt vật liệu nano có nhờ kích thước nhỏ bé chúng Hiện vật liệu hấp phụ chứa oxit kim loại kích thước nanomet quan tâm nhiều nhà khoa học khả hấp phụ vượt trội so với vật liệu tự nhiên than bùn, đá ong, cao lanh, khoáng sét…[1 - 4] Một oxit kim loại chuyển tiếp sử dụng nhiều để hấp phụ ion kim loại nặng oxit sắt, đặc biệt Fe2O3 Oxit Fe2O3 số tác giả nghiên cứu chế tạo [5 - 7] (Oxit γ- Fe2O3).Tuy nhiên việc sử dụng Fe2O3vơ định hình để hấp phụ asen, sắt, mangan chưa đề cập đến Tùy thuộc vào phương pháp điều chế mà oxit thu có đặc trưng riêng hình thái tính chất Với mục đích sử dụng Fe2O3 làm chất hấp phụ chế tạo thành công vật liệu nano Fe2O3 vơ định hình có khả hấp thụ tốt kim loại nặng nước Tuy nhiên q trình chúng tơi tách kim loại nặng khỏi nước có khó khăn việc loại bỏ hạt nano khỏi nước kích thước nhỏ cỡ 5nm thong thường phải li tâm tốc độ cao 9000 vịng/ phút mà hiệu suất lọc nước chưa cao Để khắc phục nhược điểm tiến hành sử dụng vật liệu mang MCM41(Mobil Composition of Matter No 41), vật liệu có cấu trúc lỗ xốp có diện tích bề mặt lớn đồng thời có khả hấp thụ kim loại nặng hấp thụ Fe2O3 vơ định hình Việc kết hợp loại vật liệu giúp giải toán tách lọc kim loại nặng khỏi nước Những năm gần đây, ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt asen thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Phần lớn nhiễm độc asen thông qua việc sử dụng nguồn nước, lương thực, thực phẩm vùng có đất, nước, bị nhiễm asen Asen ngun tố có độc tính cao.Asen gây nhiễm độc liều lượng nhỏ ảnh hưởng đến hầu hết quan thể Nó xâm nhập vào thể thông qua nhiều đường khác thông qua việc sử dụng nguồn nước, lương thực, thực phẩm vùng có đất, nước, khơng khí bị nhiễm asen Về mặt sinh học, người bị nhiễm asen đường khác mắc 19 bệnh khác nhau, nhiễm asen nguyên nhân gây ung thư quan nội tạng thể phổi, dày, gan, thận,… dẫn tới hoại tử Đáng lo ngại chưa có phương pháp hiệu để điều trị bệnh nguy hiểm Trên giới có hàng chục triệu người bị bệnh đen rụng móng chân, sừng hóa da, ung thư da… sử dụng nguồn nước sinh hoạt có nồng độ asen cao Nhiều nước giới phát hàm lượng asen cao nguồn nước sinh hoạt Một số nghiên cứu Unicef tiến hành tiến hành hai khu vực nhận định: mức độ ô nhiễm asen nguồn nước ngầm Việt Nam nghiêm trọng Tại khu vực đồng sông Hồng mức nhiễm asen thường cao gấp hàng chục lần mức nồng độ asen cho phép 10µg/l, là: Hà Nội, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định Nhiễm nặng tỉnh Hà Nam, có tới 80% giếng khoan tỉnh nhiễm asen cao mức nguy hiểm, gấp 100 đến 500 lần cho phép Ở khu vực đồng sông Cửu Long phát thấy số tỉnh: An Giang, Đồng Tháp, Long An có tỷ lệ nhiễm asen cao.Trong đó, tỷ lệ người dân Việt Nam sử dụng nước giếng nước mưa, nước ao hồ sinh hoạt lớn.[2] Hiện việc nghiên cứu tìm phương pháp xử lý loại bỏ asen khỏi nước sinh hoạt vấn đề đáng quan tâm Trên giới, nhiều phương pháp xử lý asen nghiên cứu : hấp phụ + lọc, đồng kết tủa/keo tụ + lọc, lọc màng, phương pháp điện hoá,…Trong số phương pháp xử lý, hấp phụ phương pháp dễ thực quy mơ vừa nhỏ, có chi phí vận hành thấp Phương pháp dựa nguyên lý tích luỹ chất bề mặt phân cách pha Hiệu trình phụ thuộc vào dạng tồn asen dung dịch, tạp chất nước nền, chất chất hấp phụ (diện tích bề mặt riêng, diện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt) Một yếu tố ảnh hưởng khơng nhỏ đến q trình hấp phụ diện tích bề mặt chất hấp phụ Vật liệu nano oxit sắt từ vơ định hình kết hợp với vật liệu MCM 41 vật liệu đáp ứng yếu tố cách tốt số loại vật liệu nano oxit sắt Nhóm nghiên cứu chúng tơi chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu nano Fe2O3 vơ định hình vật liệu MCM 41 đồng thời sử dụng kết hợp vật liệu Vật liệu nano Fe2O3 vơ định hình nghiên cứu trung tâm khoa học vật liệu, khoa vật lý, Đại học khoa học tự nhiên Đóng góp luận văn nghiên cứu sử dụng vật liệu Fe2O3 vơ định hình vật liệu MCM 41 để xử lý Asen nước Trong Luận văn nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát trình hấp thụ sau + Khảo sát trình hấp phụ vật liệu nano oxit sắt vơ định hình chế tạo phương pháp vi sóng, khảo sát khả hấp thụ vật liệu MCM-41 + Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ thời gian, PH, nồng độ asen ban đầu,… Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, nội dung khóa luận trình bày chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Chế tạo vật liệu Fe2O3 vô định hình MCM-41 Chương 3: Phân tích cấu trúc tính chất vật liệu Chương 4: Ứng dụng vật liệu oxit sắt vật liệu mang xử lý môi trường nước Chương Tổng Quan 1.1 Giới thiệuchung vật liệu Fe2O3: Sắt (ký hiệu: Fe) tên ngun tố hóa học bảng tuần hồn nguyên tố có ký hiệu Fe số hiệu nguyên tử 26, nằm phân nhóm VIIIB chu kỳ 4, 54 56 57 58 nguyên tố chuyển tiếp Các đồng vị Fe , Fe , Fe Fe bền Đó nguyên tố cuối tạo trung tâm thơng qua q trình tổng hợp hạt nhân, vật sắt nguyên tố nặng tạo mà không cần phải qua vụ nổ siêu tân tinh hay biến động lớn khác Cũng mà sắt phổ biến vũ trụ đặc biệt thiên thạch hay hành tinh lõi đá Trái Đất hay Sao Hỏa Sắt phổ biến tự nhiên dạng hợp chất khác Bình thường sắt có điện tử vùng hóa trị, độ âm điện oxi nên sắt kết hợp với oxi tạo nên hợp chất hóa trị Fe2O3 oxit sắt phổ biến thiên nhiên hợp chất thuận tiện cho việc nghiên cứu tính chất từ chuyển pha cấu trúc hạt nano Sự tồn Fe2O3 vơ định hình pha tinh thể khác (alpha, beta, gamma, epsilon) xác nhận [7], pha alpha (hematite) có tinh thể mặt thoi (rhombohedral) lục giác (hexagonal) dạng cấu trúc mạng corundum gamma (maghemite) có cấu trúc lập phương spinel tìm thấy tự nhiên Hai dạng khác Fe2O3 beta với cấu trúc bixbyite lập phương epsilon với cấu trúc trực giao tổng hợp nghiên cứu rộng rãi năm gần [7,8] Sắt (ký hiệu: Fe) tên ngun tố hóa học bảng tuần hồn nguyên tố có ký hiệu Fe số hiệu nguyên tử 26, nằm phân nhóm VIIIB chu kỳ 4, 54 56 57 58 nguyên tố chuyển tiếp Các đồng vị Fe , Fe , Fe Fe bền Đó nguyên tố cuối tạo trung tâm thơng qua q trình tổng hợp hạt nhân, vật sắt nguyên tố nặng tạo mà không cần phải qua vụ nổ siêu tân tinh hay biến động lớn khác Cũng mà sắt phổ biến vũ trụ đặc biệt thiên thạch hay hành tinh lõi đá Trái Đất hay Sao Hỏa Sắt phổ biến tự nhiên dạng hợp chất khác Bình thường sắt có điện tử vùng hóa trị, độ âm điện oxi nên sắt kết hợp với oxi tạo nên hợp chất hóa trị Fe2O3 oxit sắt phổ biến thiên nhiên hợp chất thuận tiện cho việc nghiên cứu tính chất từ chuyển pha cấu trúc hạt nano Sự tồn Fe2O3 vơ định hình pha tinh thể khác (alpha, beta, gamma, epsilon) xác nhận [4], pha alpha (hematite) có tinh thể mặt thoi (rhombohedral) lục giác (hexagonal) dạng cấu trúc mạng corundum gamma (maghemite) có cấu trúc lập phương spinel tìm thấy tự nhiên Hai dạng khác Fe2O3 beta với cấu trúc bixbyite lập phương epsilon với cấu trúc trực giao tổng hợp nghiên cứu rộng rãi năm gần [4,5] Epsilon pha chuyển tiếp hematite maghemite Tài liệu khoa học epsilon Fe2O3 công bố lần năm 1934 (Forestier and Guiot Guillain) Đặc điểm cấu trúc chi tiết pha epsilon Klemm công bố năm 1998 sau Mader Cho đến cách thông thường để tạo epsilon Fe2O3 gamma  epsilon  alpha Fe2O3, điều chế epsilon Fe2O3 dạng tinh khiết mà thường có lẫn thêm pha alpha gamma Epsilon Fe2O3 thường không bền bị chuyển hóa thành alpha Fe2O3 nhiệt độ 500 – 700 °C [6] Beta Fe2O3 có cấu trúc lập phương tâm mặt, không bền, nhiệt độ 500 °C chuyển hóa thành alpha Fe2O3 Pha beta tạo thành cách khử alpha cacbon, nhiệt phân dung dịch sắt (III) clorua, phân hủy sắt (III) sunphat.Beta Fe2O3 có tính thuận từ Gamma epsilon Fe2O3 có từ tính mạnh, alpha Fe2O3 phản sắt từ, beta Fe2O3 vật liệu thuận từ 1.1.1 α-Fe2O3 (hematite) Mặc dù từ sớm, phép đo bề mặt tinh thể xray kết luận tinh thể hematite có cấu trúc mặt thoi (Brag and Bragg, 1924), phải đến năm 1925 chi tiết cấu trúc hematite Pauling Hendricks cơng bố Cả α-Fe2O3 Al2O3 (corundum) có dạng cấu trúc hematite thường nói có cấu trúc corundum.Cấu trúc coi cấu trúc mặt thoi trực giao [7].Cấu trúc mặt thoi trực giao hematite hình 1.1.Hình vẽ thiết kế để làm bật lên mối quan hệ loại cấu trúc Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể hematite Các anion oxi có cấu trúc lục giác xếp chặt (đặc trưng xen kẽ lớp; nguyên tử lớp nằm đỉnh nhóm tam giác đều, nguyên tử lớp nằm tâm tam giác lớp bên cạnh), cation sắt chiếm hai phần ba lỗ hổng mặt theo dạng đối xứng Nói cách khác, ion oxi chiếm lỗ hổng sáu mặt ion sắt vị trí lỗ hổng tám mặt xung quanh.Tuy nhiên, ion oxi xung quanh gần ion sắt chịu biến dạng nhỏ.Bên cạnh đó, ion sắt xung quanh ion oxi không tạo thành tứ diện thông thường [7] Trong 1.1 hình vịng biểu diễn vị trí ion Fe3+theo cấu trúc lục giác Chú ý rằng, số ion sắt nằm số khác nằm mặt phẳng lục giác Các đường nét đứt mặt phẳng chứa ion O2-.Cấu trúc mặt thoi thể hình thơng qua mối quan hệ với cấu trúc lục giác Hình 1.6 miêu tả vị trí ion oxi liên hệ với ion sắt mặt phẳng (111) cấu trúc mặt thoi.Các đường tròn liền nét đường tròn nét đứt tương ứng với ion oxi ion Fe3+ [7] Dưới 260 K, hematite có tính phản sắt từ, 260 K hematite thể tính sắt từ yếu Sự chuyển tiếp nhiệt độ thấp gọi chuyển tiếp Morin - TM.Nhiệt độ Morin phụ thuộc mạnh vào kích cỡ hạt Nói chung nhiệt độ Morin giảm kích thước hạt giảm biến hạt có hình cầu nm [8] Dưới nm, hạt nano hematite có tính siêu thuận từ, nói chung kích cỡ phụ thuộc mạnh vào phương pháp chế tạo Hematite điều chế dễ dàng phương pháp phân hủy nhiệt lẫn kết tủa pha lỏng Tính chất từ phụ thuộc vào nhiều tham số chẳng hạn áp suất, kích cỡ hạt cường độ từ trường 1.1.2 γ-Fe2O3 (maghemite) Maghemite có cấu trúc lập phương spinel, không bền dễ bị chuyển thành α-Fe2O3 nhiệt độ cao.Maghemite có cấu trúc tinh thể tương tự Fe3O4 (maghetite) Khơng giống hematite (các ion oxi có cấu trúc lục phương xếp chặt sắt xuất lỗ hổng mặt),trong cấu trúc tinh thể maghemite maghetite, ion oxi có cấu trúc lập phương xếp chặt với lỗ hổng mặt (octahedral and tetrahedral sites) bị sắt chiếm chỗ Sự khác biệt maghemite maghetite xuất Fe (II) maghetite xuất chỗ trống vị trí cation maghemite làm giảm tính đối xứng Bán kính iron Fe (II) lớn Fe (III) liên kết Fe (II) – O dài yếu liên kết Fe (III) – O [6] γ-Fe2O3 vật liệu feri từ, có từ tính thấp khoảng 10% so với Fe3O4 có khối lượng riêng nhỏ hematite Dưới 15 nm [9], gamma Fe2O3 trở thành vật liệu siêu thuận từ Maghemite điều chế khử nước nhiệt (thermal dehydratation) gamma sắt(III) oxit-hidroxit, oxi hóa cách cẩn thận sắt (II,III) oxit 1.1.3 Giới thiệu vật liệu vô định hình: Các loại nhựa, thuỷ tinh hữu cơ, cao su, thủy tinh kim loại dạng khối (bulk metallic glasses), chất keo dường hệ thống chất có cấu tạo hoàn toàn khác biệt, thực tế chúng sở hữu cấu trúc vơ định hình Vật liệu vơ định hình phổ biến có mặt nơi tự nhiên hệ thống kỹ thuật.Nhiều chất khác có cấu trúc vơ định nhũ tương, kính sổ, polime chí mơ sinh học Hình 1.2 Một số chất có cấu trúc vơ định hình Bảng 4.4: Giá trị dung lượng hấp phụ theo PH khác Nồng độ PH ban Nồng độ sau hấp Dung lượng hấp phụ (mg/l) phụ q (mg/g) đầu (mg/l) 1.45 0.35858 0.29575 3.373423 2.96 0.30771 0.24921 3.14094 4.84 0.59163 0.44184 8.042416 0.95464 0.69216 14.09289 0.77939 0.44832 17.77557 8.94 0.7955 0.49989 15.87168 10.31 0.76642 0.54961 11.64081 12.01 0.51037 0.41335 5.209128 18 16 14 q(mg/g) 12 10 2 10 11 12 13 PH Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ theo PH khác Dựa vào đồ thị ta thấy dung lượng hấp phụ Asen (III) Fe2O3vdh phụ thuộc vào PH Tại giá trị PH=7, dung lượng hấp phụ đạt giá trị lớn 66 q=17.7755mg/g Như mơi trường trung tính q trình hấp phụ xảy tốt nhất.Cịn mơi trường axit mạnh mơi trường bazo mạnh trình hấp phụ xảy hơn.Từ kết luận chất hấp phụ Fe2O3 vơ định hình có khả hấp phụ tốt với PH nước ngầm, nước sinh hoạt PH nước ngầm thông thường khoảng từ 6.5 – 4.4 Nghiên cứu khả hấp thụ Asen vật liệu MCM-41 Thí nghiệm thực nhiệt độ phòng với thời gian hấp phụ khác - Đối với As: Cho 0.4g chất hấp phụ vào 150ml dung dịch As (III) có pH = 6,5 Khuấy dung dịch máy khuấy từ Sau đem xác định nồng độ As có dung dịch Lặp lại nồng độ As dung dịch không thay đổi 4.4.1 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại MCM-41 As (III) Kết nghiên cứu bảng số liệu Bảng 4.6 X ác định dung lượng hấp phụ cực đại MCM-41 với As (III) Nồng độ đầu co (mg/l) Thể tích (ml) Lượng chất hấp phụ (g) Nồng độ cân c (mg/l) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 0,025 50 0,4 0,013 0,00450 0,084 50 0,4 0,042 0,01575 0,133 50 0,4 0,075 0,02175 0,145 50 0,4 0,080 0,02438 0,188 50 0,4 0,103 0,03169 67 Equation y = a + b*x Adj R-Square 250 0.99569 Value 200 Standard Error B Intercept 3.98737 3.44853 B Slope 2.82024 0.09275 1/q 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1/C Hỡnh 4.6.Xác định dung lượng hấp phụ cực đại MCM-41 As (III) Kết cho ta tính dung lượng hấp phụ cực đại MCM-41 As (III) 0,251mg/g 4.5 Nghiên cứu khả hấp thụ Asen vật liệu nano Fe2O3vơ định hình vật liệu mang MCM-41 Nghiên cứu dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu nano Fe2O3 vô định hình vật liệu mang MCM-41 Tiến hành kết hợp loại vật liệu Fe2O3 vật liệu MCM-41 theo tỉ lệ khác Sau sử dụng vật liệu để hấp thụ Asen Nghiên cứu dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu 10% Fe2O3 vật liệu MCM-41 Nồng độ Asen(III) ban đầu C0 Nồng độ Asen(III) cân C (mg/l) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 1/q 1/C (mg/l) ThÓ tÝch (ml) L-ỵng chÊt hÊp phơ (g) 0,4355 1000 0,082 0,3732 0,7587 1,3180 0,0927 68 0,3832 1000 0,068 0,3318 0,7559 1,3228 0,0944 0,3323 1000 0,060 0,2875 0,7470 1,3386 0,0960 0,3602 1000 0,052 0,3217 0,7386 1,3538 0,0977 1.35 1.34 1/q 1.33 1.32 Equation y = a + b*x Adj R-Square 0.93264 1.31 1.30 0.092 Value 0.093 Standard Error B Intercept 0.62766 0.10822 B Slope 7.41219 1.13652 0.094 0.095 0.096 0.097 0.098 1/C Hình 4.7 Dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu 10% Fe2O3 vật liệu MCM-41 Từ độ thị xác định đường thẳng y= 0,62766+ 7,4129*x Từ ta có 1/qmax= 0,62766 nên qmax= 1,5932 mg/g Như việc kết hợp vật liệu nano Fe2O3 vật liệu mang MCM-41 mang lại khả hấp thụ asen tốt hẳn so với việc sử dụng riêng vật liệu MCM-41 Bảng 4.5: Dung lượng hấp phụ Asen(III) số chất hấp phụ khác Chất hấp phụ qmax (mg/g) Asen(III) 69 Tài liệu tham khảo Fe2O3 vơ định hình 12,008 Xác định phần 4.21 α-Fe2O3 9.0 ± 1.6 [20] Fe3O4 9.6 ± 2.4 [20] FeOOH 3.29 [21] MCM-41 0,251 Xác định phần 4.4.1 Iron-oxide-coated natural rock (IOCNR) 0.36 [24] 1,5932 Xác định phần 4.5 10% Fe2O390%MCM41 4.6 Xây dựng mơ hình lọc nước sử dụng vật liệu nano vơ định hình vật liệu mang MCM-41 4.6.1 Chế tạo cột lọc nước Thiết bị chế tạo gồm ba cột mắc nối tiếp, đặt tủ đựng thép không rỉ.Cột chế tạo nhựa PVC để tiết kiệm chi phí.Thiết bị quy mơ hộ gia đình chế tạo gồm ba cột mắc nối tiếp, cột nhồi cát kỹ thuật vật liệu hấp phụ.Khối lượng vật liệu hấp phụ nhồi ba cột tính tốn trên.Các cột hấp phụ có hai mặt bích để tiện cho thao tác tháo lắp, thay vật liệu làm sạch.Thiết bị để gọn tủ làm từ vật liệu thép khơng rỉ, giá thành rẻ, phục vụ người dân Thiết bị thiết kế đơn giản, dễ sử dụng Nước từ bể chứa lọc qua cột, tốc độ dòng khống chế van.Sau thời gian vận hành, vật liệu hấp phụ thay dễ dàng 70 Hình 4.8 Mơ hình cột lọc sử dụng vật liệu Fe2O3 vật liệu MCM-41 4.6.2 Chế tạo thiết bị hấp phụ Tính toán thiết bị hấp phụ Thiết bị hấp phụ quy mơ hộ gia đình, ước tính lưu lượng nước cần lọc để ăn uống 0.5 m3/ngày 71 Hình 4.9 Mơ hình bể lọc nước gia đình, sử dụng cột lọc chứa vật liệu nano Fe2O3 MCM-41 Thể tích cột hấp phụ là: VR  x0.12 x0.5 x3  12.75 x10 3 (m3) Thời gian tiếp xúc VR 12.75 x10 3 t   2.55 (h) Q 0.05 Thể tích vật liệu Thể tích vật liệu hấp phụ tính theo cơng thức: 72 VVL  ( AURxAOP ) SF  AUR lượng vật liệu hấp phụ tiêu thụ hàng ngày (Adsorbent usage rate) AOP thời gian thay vật liệu (Adsorbent change out period); SF hệ số an toàn (safety factor, thường lấy từ 1.2 đến 1.5) AUR  C Q 0.04(mg / l ) x500(l / ngày)   12.6( g / ngày) q 1.59(mg / g ) với Co nồng độ As ban đầu, Q lưu lượng dòng chảy q tải trọng hấp phụ As ứng với nồng độ Co Thiết bị tính theo As As ngun tố nguy hiểm bảng phân tích ban đầu nhiều điểm phân tích có nồng độ As cao Nếu dự kiến thay vật liệu tháng lần, tức 30 ngày lần ta có: VVL  (12.6 x30) x1.2  0.298(l ) 1522 Vậy thể tích vật liệu hấp phụ cần thiết 0.298 lít Khối lượng vật liệu hấp phụ mVL  VVL   0.298(l ) x1522( g / l )  453.6 (g) 73 KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu chúng tơi thu số kết sau : Chế tạo thành cơng vật liệu Fe2O3 vơ định hình phương pháp lị vi sóng, vật liệu Zeolite MCM-41và tiến hành kết hợp loại vật liệu Khảo sát cấu trúc vật liệu Fe2O3 phổ nhiễu xạ tia X (XRD) nhiệt độ nung khác nhau, xác định kích thước trung bình nung nhiệt độ 600oC, xác định hình dạng hạt nano kích thước hạt kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR), phổ tán sắc lượng tia X (EDX) Khảo sát cấu trúc vật liệu Zeolite MCM- 41 phổ nhiễu xạ tia X (XRD), Bằng ph-ơng pháp ghi đ-ờng hấp phụ giải hấp N2 thu đ-ợc thông số diện tích bỊ mỈt nh- sau: SBET= 637.9850 (m2/g) , xác định đ-ợc kích th-ớc mao quản MCM41,DBJH= 36.773 Khảo sát ảnh hưởng thời gian, nồng độ chất ban đầu PH lên trình hấp phụAsen(III) vật liệu Fe2O3, MCM-41 Kết nghiên cứu cân phương trình đẳng nhiệt Langmuir phương trình đẳng nhiệt Freundlich cho thấy: dung lượng hấp phụ cực đại PH ≈ Fe2O3 vô định hình Asen(III) 12.008mg/g, vật liệu MCM-41 0,251mg/g vật liệu 10% Fe2O3 90%MCM-41 1,5932 mg/g Xây dựng mơ hình lọc nước sử dụng vật liệu nano vơ định Fe2O3 hình vật liệu mang MCM-41 Kết công bố: 01 báo quốc tế Nguyen Dang Phu a, Trinh Xuan Sy a, Hoang Thanh Cao a, Nguyen Ngoc Dinh a, Le Van Thien b,Nguyen Minh Hieu a, Nguyen Hoang Nam a, Nguyen Hoang Haia,Amorphous iron-chromium oxide nanoparticles prepared by sonochemistry,Journal of Non-Crystalline Solids 358 (2012) 537–543 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Văn Ái, Mai Trọng Nhuận, Nguyễn Khắc Vinh(2010), “Một số đặc điểm phân bố Asen tự nhiên vấn đề ô nhiễm Asen trường Việt Nam”, Hội thảo quốc tế ô nhiễm Asen: Hiện trạng, Tác động đến sức khỏe cộng đồng giải pháp phòng ngừa, Hà Nội, 21-32 [2] Lê Văn Cát (2002) Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải.NXB Thống kê, Hà Nội [3] Lò Văn Huynh, Lê Văn Cát, Mai Xuân Quỳ(2001), “Hấp phụ p – nitrophenol cột than hoạt tính “ Tạp chí hố học, T.39, số 3, Tr.5 – [4].Trần Thị Thanh Hương, Lê Quốc Tuấn(2010), Cơ chế gây độc Arsen khả giải độc asen vi sinh vật, Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park [5]Nguyễn Ngọc Long (2007)Vật lý chất rắn_Cấu trúc tính chất vật rắn_ Nhà xuất quốc gia Hà Nội [6]Vũ Đình Thảo(2007), Luận văn thạc sĩ khoa học : “ Nghiên cứu động học trình hấp phụ Asen bột quặng MnO2” chuyên ngành hoá lý thuyết hoá lý Mã số 1.04.04 Tiếng Anh [7] A Auroux, A Gervasini (1994) Acidic properties of titanium–silicate–1 Zeolit and related microponous materials states of art Vol 84.pp 653-659 [8] A Corma, S Iborra, J Primo, F Rey, Appl Catal A: General, 114, 1994, 512-225 [9] A Gomez-Caminero, P Howe, M Hughes, E Kenyon, D.R Lewis, M Moore, “Arsenic and arsenic compounds”, Inorganic chemistry (2001) [10] “ Arsenic removal from real arsenic-bearing groundwater by adsorption on iron-oxide-coated natural rock (IOCNR) ” Desalination (2011) 75 [11] “ Asenate biosorption by iron-modified pine sawdust in batch systems: kinectics and equilibrium studies “ –bioresources.com [12] B N Pal, Granular ferric hydroxide for elimination of Arsenic from drinking water, M/S Pal Trockner[P] Ltd 25/1B Ibrahimpur Road, Calcutta-700 032 [13] http://www.case.vn/vi-VN/34/96/115/details.case [14] http://www.case.vn/vi-VN/87/88/128/details.case [15] Bagshaw, S A., Prouzet E., and Pinnavaia T J (1995), “Templating of Mesoporous Molecular Sieves by Nonionic Polyethylene Oxide Surfactants, Science”, 269, 1242 – 1244 [16] Brinker C J., George W Scherer (1990), Sol-gel science – The Physics and Chemistry of Sol- Gel Processing, Academic Press, USA [17] Chedeville O., Bayraktar A T., Port C (2005), “Modeling of Fenton Reaction for the oxidation of phenol in water”, Journal of Automated Methods & Management in Chemistry, 2, 31 – 36 [18] Choi J S., Yoon S S., Jang S H Ahn W S (2006), “Phenol hydroxylation using Fe-MCM-41 catalysts”, Catalysis today, 111, 280 – 287 [19] Farrauto R J., Bartholomew C H (1997), Fundamentals of industrial catalytic processes, Blackie Academic & Professional, pp 151 – 153 [20] H Chon, S.I.Woo, S.E.Park, Recent Advandces and New Horirisons in Zeolite Science and Technology, Elsevier, 102 1996, 27-32 [21] Ho Sy Thang, Nguyen Thi Ai Nhung, Dinh Quang Khieu, Tran Thai Hoa, Nguyen Huu Phu (2008), Direct hydrothermal synthesis of mesoporous, Sn-SBA-16 materials under weak acidic conditions, International scientific conference on “Chemistry for development and intergration”, 12 – 14 September, pp, 806–816 [22] Hu X, Lam F L Y., Cheng L M., Chan K F., Zhao X S., Lu G Q (2001), “Copper/MCM-41 as catalyst for photochemically enhanced oxidation of phenol by hydrogen peroxide”, Catalysis Today, 68, 129–133 76 [23] Kim M J., Han Y J., Chmelka B F and Stucky G D (2000), “One-step synthesis of ordered mesocoposites with non-ionic amphiphilic block copolymers: implications of isoelectric point, hydrolysis rate and fluoride”, Chem Commun., 2437 – 2438 [24] Kleestorfer K., Vinek H.and Jentys A (1998), “Structure simulation of mesoporous molecular sieves” Studies in Surface Science and Catalysis, Vol 117, 37-43 [25] Kulawid K., Schulz-ekloff G., Rathousky J., Zukal A., Had J., (1995), “Hydroxylation of phenol over Ti-MCM-41 and TS-1”, Collection of Czechoslovak Chemical Communications, 60 (3), 451-456 [26] Laha S C (2002), Mesoporous and microporous matallosilicate & organo-silicate molecular sieves: synthesis, characterization and catalytic properties, Doctor thesis, University of Pune, India [27] Langevin D.(1998), “Structure and dynamic properties of surfactant systems”, Studies in surface science and catalysis, 117, 129-134 [28] Nozaki C., Lugmair C G., Bell A.T., and Tilley T D (2002) “Synthesis, characterization, and catalytic performance of single-site iron(III) centers on the surface of SBA-15 silica”, J Am chem.soc, 124, 13194-13203 [29] Stucky, G D., Monnier, A., Schüth, F.; Huo, Q.; Margolese, D.I., Kumar, D., Krishnamurty, M P., Petroff, M.; Firouzi, A., Janicke, M and Chmelka, B F (1994), “Molecular and Atomic Arrays in Nano- and Mesoporous Materials Synthesis”, Mol Cryst Liq Cryst 240, 187-200 [30] Tuel A., ArconI., Millet J.M.M (1998) “Investigation of structural iron species in Fe-mesoporous silicas by spectroscopic techniques”, J Chem Soc., Faraday Trans., 94, 35013510 [31] Zhao D., Feng., Huo Q., Fredickson G H, Chmelka B F., ang Stucky G.D (1998) Triblock Copolimer syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrong Pores, Science, Vol 279 pp 548–552 77 MỤC LỤC Chương Tổng Quan 1 Giới thiệuchung vật liệu Fe2O3: 1.1.1 α-Fe2O3 (hematite) 1.1.2 γ-Fe2O3 (maghemite) 1.1.3 Giới thiệu vật liệu vơ định hình: 1.2 Vật liệu MCM 41 10 1.2.1 Vật liệu mao quản trung bình 10 1.2.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu MQTB 12 1.3 Tổng quan asen 18 1.3.1 Giới thiệu chung asen 18 1.3.2 Quá trình sử dụng hợp chất Asen lịch sử 19 1.3.3 Vấn đề môi trường Asen tác hại sức khỏe người 20 1.3.4 Cơ chế gây độc Asen 22 1.4 Tình trạng nhiễm asen nước ngầm giới Việt Nam 23 1.4.1 Ô nhiễm asen nước ngầm giới 25 1.4.2 Ô nhiễm asen nước ngầm Việt Nam 27 1.5 Các phương pháp xử lý asen 28 1.5.1 Oxi hoá As(III) 28 1.5.2 Kĩ thuật đồng kết tủa/keo tụ 28 1.5.3 Kĩ thuật hấp phụ 29 1.5.4 Phương pháp trao đổi ion 29 1.5.5 Các phương pháp khác 30 1.6 Phương pháp hấp phụ : 31 1.6.1 Những nguyên lý chung phương pháp hấp phụ 31 1.6.2 Động học trình hấp phụ 31 1.6.3 Cân trình hấp phụ dung dịch 35 78 1.6.4 Dung lượng hấp phụ 36 Chương 2: Chế tạo vật liệu oxit sắt MCM-41 .39 2.1 Chế tạo vật liệu oxit sắt 39 2.1.1 Hệ vi sóng 39 2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu 40 2.2 Chế tạo vật liệu MCM-41 41 2.3 Các phép phân tích thiết bị sử dụng luận án 41 2.3.1 Máy đo phổ nhiễu xạ tia X 42 2.3.2 Máy chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua 43 2.3.3 Đo phổ hấp thụ nguyên tử 44 2.3.4 Máy khối phổ plasma cảm ứng 45 Chương Phân tích cấu trúc tính chất vật liệu oxit sắt MCM-41 47 3.1 Phân tích phổ nhiễu xạ tia X 47 3.1.2.Phổ tán sắc lượng tia X (EDX ): 48 3.1.3 Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu MCM- 41 49 3.2 Kết chụp ảnh TEM 50 3.2.1 Kết chụp ảnh TEM vật liệu Fe2O3 51 3.3.Ghi đ-ờng đẳng nhiệt hấp phụ nitơ 53 3.4.Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR): 55 Chương 4: Ứng dụng vật liệu oxit sắt vật liệu mang xử lý môi trường nước 58 4.1 Tiến hành khảo sát khả hấp phụ Asen Fe2O3 58 4.1.1 Pha dung dịch asen : 58 4.1.2 Định lượng vật liệu hấp phụ (Fe2O3vdh) : 58 4.1.3 Khảo sát hấp phụ Asen : 58 4.2 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại : 60 4.2.1 Sử dụng phương trình đẳng nhiệt Langmuir 60 4.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến trình động học hấp phụ : 63 79 4.3.1 Phụ thuộc vào thời gian 63 4.3.2 Phụ thuộc vào PH 65 4.4 Nghiên cứu khả hấp thụ Asen vật liệu MCM-41 67 4.4.1 X¸c định dung l-ợng hấp phụ cực đại MCM-41 đối víi As (III) 67 4.5 Nghiên cứu khả hấp thụ Asen vật liệu nano Fe2O3vơ định hình vật liệu mang MCM-41 67 4.6 Xây dựng mơ hình lọc nước sử dụng vật liệu nano vơ định hình vật liệu mang MCM-41 70 4.6.1 Chế tạo cột lọc nước 70 4.6.2 Chế tạo thiết bị hấp phụ 71 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 80 ... HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN MINH HIẾU VẬT LIỆU OXIT SẮT PHÂN TÁN TRÊN VẬT LIỆU MANG TRONG XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 60... quan Chương 2: Chế tạo vật liệu Fe2O3 vơ định hình MCM-41 Chương 3: Phân tích cấu trúc tính chất vật liệu Chương 4: Ứng dụng vật liệu oxit sắt vật liệu mang xử lý môi trường nước Chương Tổng... Vật liệu nano oxit sắt từ vơ định hình kết hợp với vật liệu MCM 41 vật liệu đáp ứng yếu tố cách tốt số loại vật liệu nano oxit sắt Nhóm nghiên cứu chúng tơi chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu