Nghiên cứu khả năng tách loại PB2 trong nước bằng nano sắt kim loại

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 24 (2008) 305-309 Nghiên cứu khả tách loại Pb2+ nước nano sắt kim loại Nguyễn Thị Nhung*, Nguyễn Thị Kim Thường Viện ðịa chất, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 84 Chùa Láng, ðống ða, Hà Nội, Việt Nam Ngày nhận 02 tháng năm 2007 Tóm tắt Bài báo trình bày kết khảo sát phương pháp xử lý Pb2+ nước nano sắt tổng hợp Các thí nghiệm tiến hành với hàm lượng Pb2+ biến thiên khoảng từ 5-50mg/l, nano sắt từ 0,1-0,4g/l pH = 2,5-7,5 Kết thực nghiệm cho thấy, với pH = 5,0-6,5, 100% lượng Pb2+ bị tách loại khỏi dung dịch sau thời gian 10 phút tỷ lệ khối lượng nano sắt: Pb2+ = 10:1 ðã xác ñịnh ñược hiệu suất tách loại tối ña Pb2+ nano sắt 325gPb2+/1kg nano sắt Kết nghiên cứu cho thấy so với bột sắt thương mại, hiệu tách loại Pb2+ nano sắt cao gấp lần, tốc ñộ nhanh tạo cặn thải ðặt vấn đề∗ khơng triệt để Vì vậy, việc nghiên cứu, khảo sát tìm vật liệu xử lý kim loại nặng độc hại nói chung chì nói riêng nước cách có hiệu quả, thân thiện với mơi trường đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn cần thiết Một vật liệu xử lý nhanh, triệt ñể, ñã ñược gọi "thần dược vạn năng" nano sắt kim loại, sản phẩm cơng nghệ ý nghiên cứu Nano sắt có diện tích bề mặt lớn có khả tách loại kim loại nặng hợp chất hữu nước cao [4-7] Trong hai năm vừa qua, phịng thí nghiệm chúng tơi nghiên cứu tổng hợp thành cơng nano sắt kim loại phương pháp khử FeCl3 NaBH4 mơi trường nước [8] Nano săt tổng hợp có kích thước hạt từ 10 - 30nm, ứng dụng ñể xử lý Pb2+, Cr6+, Mn2+ asen nước Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu khả tách loại Pb2+ nước nano sắt Chì kim loại nặng độc hại Ngun nhân gây nhiễm kim loại nặng nói chung chì nói riêng nguồn nước nước thải từ nhà máy mạ ñiện, nhà máy khí, nhà máy sản xuất pin, ắc quy gốm sứ chưa xử lý xử lý chưa triệt để đổ mơi trường Khi sử dụng nguồn nước có hàm lượng Pb2+ lớn thời gian dài khơng ảnh hưởng đến sức khoẻ, mà cịn sinh số bệnh nguy hiểm Việc nghiên cứu xử lý chì mơi trường nước thu hút ý nhiều phịng thí nghiệm nước quốc tế Theo tài liệu, có nhiều phương pháp tách loại chì, phương pháp hấp phụ [1,2], phương pháp vi sinh [3] Tuy nhiên xử lý phương pháp giá thành cao _ ∗ Tác giả liên hệ ðT: 84-4-37754724 E-mail: nguyenthinhung1951@yahoo.com.vn 305 306 N.T Nhung, N.T.K Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Cơng nghệ 24 (2008) 305-309 Hóa chất, dụng cụ thí nghiệm phương pháp nghiên cứu 2.1 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2+ Lấy 100ml dung dịch Pb có hàm lượng biết cho vào cốc 250ml, sau cho lượng nano sắt ñịnh vào cốc, khấy với tốc độ 600 vịng/phút Sau thời gian định, dung dịch khảo sát ñược lấy lọc áp suất thấp qua giấy lọc 0.2µm Sau xác định hàm lượng Pb2+ dung dịch phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Kết thảo luận Hình Ảnh TEM hạt nano sắt tổng hợp Kích thước hạt phân bố hạt nano sắt đặc trưng hình ảnh TEM Kết cho thấy, hạt nano sắt tổng hợp có kích thước từ 3- 50nm, có dạng hình cầu tạo thành chuỗi nối Kiểu liên kết thành chuỗi tương tác hạt sắt kim loại có từ tính với Diện tích bề mặt riêng hạt nano sắt dao ñộng từ 24 - 28 m2/g 3.2 Khảo sát ảnh hưởng pH ñến khả tách loại Pb2+ nước nano sắt pH môi trường yếu tố quan trọng ñịnh ñến hiệu tách loại Pb2+ % L o ại P b - Dung dịch FeCl3.6H2O 0.045M ñược chuẩn bị từ muối FeCl3.6H2O tinh khiết hóa học hãng Merck; - Dung dịch NaBH4 0.25M ñược chuẩn bị từ NaBH4 hãng Merck; - Dịch dịch chuẩn Pb2+ 1000ppm hãng Merck; - Dung dịch NH4OH hãng Merck; - Dung dịch axit H2 SO4 hãng Merck; - Nước cất deion hố (cất lần phịng thí nghiệm); - Bột sắt thương phẩm tinh khiết >98%, kích thước hạt < 200 mesh Merck; - Nano sắt ñược tổng hợp cách nhỏ từ từ dung dịch NaBH4 0.25M vào dung dịch FeCl3.6H2O 0.045M, theo tài liệu ñã công bố [8]; - Máy khuấy từ; - Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 6800 Shimadzu khoa Hoá trường ðại học KHTN-ðHQGHN; 120 100 80 60 40 20 3.1 ðặc tính hạt nano sắt kim loại pH ðồ thị Ảnh hưởng pH ñến khả loại Pb2+ N.T Nhung, N.T.K Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 305-309 ðiều kiện khảo sát ñược tiến hành sau: chuẩn bị dãy dung dịch hỗn hợp Pb2+ hàm lượng ban ñầu 10 mg/l nano sắt hàm lượng 0,1g/l với pH thay ñổi tương ứng từ 2.5 ñến 7.5 ñược khuấy máy khuấy từ 10 phút Sau dung dịch lọc qua màng lọc kích thước 0.2µm áp suất thấp Hàm lượng Pb2+ chưa phản ứng cịn lại dung dịch xác định phương pháp AAS Kết thực nghiệm trình bày ñồ thị Kết thực nghiệm biểu diễn ñồ thị cho thấy, hàm lượng nhau, pH từ 4,5 100% lượng Pb2+ ñã ñược loại khỏi dung dịch Tuy nhiên pH>7,5, dung dịch có hàm lượng Pb2+ cao, dễ kết tủa Pb(OH)2 trước tương tác với nano sắt Vì pH tối ưu cho lần khảo sát ñược chọn khoảng từ 5,0-6,5 sắt) Khi hàm lượng Pb2+ = 50.0 mg/l 65 % Pb2+ bị loại khỏi dung dịch 10 phút (hiệu suất loại Pb2+ nano sắt trường hợp đạt 325mg Pb2+/1g nano sắt) Có thể nói với tỷ lệ khối lượng Pb2+/nano Fe khảo sát hiệu suất tách loại Pb2+ nano sắt tỷ lệ thuận với hàm lượng Pb2+ ban ñầu Tuy nhiên, tỉ lệ theo khối lượng tối ưu Pb2+/nano sắt ñể 100% Pb2+ bị tách loại khỏi dung dịch 1:10 3.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nano sắt ðiều kiện thí nghiệm: Hàm lượng Pb2+ ban đầu 20 mg/l, pH = 6.0, thay ñổi lượng nano sắt từ 0,1g/l - 0,4g/l Q trình thao tác tiến hành mục 3.2 Kết thực nghiệm trình bày ñồ thị 3.3.Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Pb2+ ban ñầu Pb = 10 mg/l [P b]/[P b]0 Nano Fe = 0.1g/l Nano Fe = 0.2g/l Nano Fe = 0.3g/l 0.8 Nano Fe = 0.4g/l 0.6 0.4 0.2 0 Pb = mg/l 1.2 1.2 [Pb]/[Pb]0 ðiều kiện thí nghiệm: Hàm lượng nano sắt ban ñầu 0,1g/l, pH dung dịch ñều ñược ñiều chỉnh ñến pH=6,0, thay ñổi hàm lượng Pb2+ từ mg/l đến 50 mg/l Q trình thao tác ñược tiến hành mục 3.2 Kết thực nghiệm ñược trình bày ñồ thị 307 10 20 30 Thời gian(phút) Pb = 20 mg/l 0.8 Pb = 30 mg/l Pb = 50 mg/l 0.6 ðồ thị Ảnh hưởng hàm lượng nano sắt 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 Thời gian (phút) ðồ thị Ảnh hưởng hàm lượng Pb2+ ban ñầu Kết thực nghiệm biểu diễn ñồ thị cho thấy, hàm lượng Pb2+ ≤ 10.0 mg/l sau 10 phút 100% Pb2+ tách loại khỏi dung dịch (hiệu suất loại Pb2+ nano sắt trường hợp 100mg Pb2+/1g nano Kết thực nghiệm trình bày đồ thi cho thấy, hàm lượng nano sắt tăng hiệu suất tách loại Pb2+ tăng lên Với hàm lượng nano sắt 0,3-0,4 g/l Pb2+ (hàm lượng 20mg/l) bị loại 100% khỏi dung dịch; hàm lượng nano sắt 0,1g/l có 82% lượng Pb2+ bị tách loại Kết thực nghiệm cho thấy tốc ñộ tách loại Pb2+ xảy nhanh phút đầu, sau giảm dần khơng thay ñổi sau 10 phút 308 N.T Nhung, N.T.K Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 305-309 3.4 So sánh khả loại Pb2+ nano sắt bột sắt thương mại ðiều kiện thí nghiệm: Hàm lượng Pb2+ ban đầu 20 mg/l, pH = 6.0, hàm lượng nano sắt tương ứng 0,1g/l, hàm lượng bột sắt 0,1 g/l Q trình thực nghiệm tiến hành mục 3.2 Kết thực nghiệm ñược biểu diễn ñồ thị Tài liệu tham khảo 1.2 [Pb]/[Pb]0 + Thời gian 10 phút - So với bột sắt thương mại, hiệu tách loại Pb2+ nano sắt kim loại cao gấp lần - Việc tách loại Pb2+ nano sắt xảy nhanh, tạo cặn thích hợp để ứng dụng vào thực tiễn xử lý nước nhiễm chì nano sắt 0.8 Bột sắt 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 Thời gian (phút) ðồ thị So sánh hiệu tách loại Pb2+ nano sắt bột sắt Kết thực nghiệm trình bày đồ thị cho thấy, tốc ñộ loại Pb2+ nano sắt bột sắt khác rõ rệt Sau phút, 70 % lượng Pb2+ ñược loại khỏi dung dịch nano sắt, thời gian 28% lượng Pb2+ bị loại sử dụng bột sắt thương mại Như vậy, hàm lượng Pb2+ dung dịch 20 mg/l, hiệu suất tách loại Pb2+ nano sắt cao gấp lần so với bột sắt thương mại Kết luận - ðã khảo sát tìm điều kiện thích hợp để tách loại Pb2+ khỏi dung dịch nước nano sắt, là: + Hiệu suất tách loại Pb2+ nano sắt 325gPb2+/1kg nano sắt hàm lượng Pb2+ ban ñầu ñến ≤ 50mg/l nano sắt 0,1g/l; + pH môi trường từ 4,5- 7,5; [1] F.O Faraday, Orumwense, Removal of lead from water by adsorption on a kaolinitic clay, Journal of chemical technology and biotechnology, vol 65, No4 (1996) 385 [2] M.N Rashed1, Lead removal from contaminated water using mineral adsorbents, The Environmentarist, V 21, N0 3(2001) 187 [3] Jeewoong Kim, C Vipulanandan, Removal of Lead from Wastewater Using a Biosurfactant, Center for Innovative Grouting Material and Technology (CIGMAT), 1998 [4] F Li, C Vipulanandan, Microemulsion Approach to Nanoiron Production and Degradation of Trichloroethylene, Center for Innovative Grouting Materials and Technology (CIGMAT), Department of Civil and Environmental Engineering, Proceedings CIGMAT-2003 Conference & Exhibition [5] N.E Ruiz, Application of Ultrasoud to Enhance the Zero-Valent Iron–Initiated Abiotic Degradation of Halogenated Aliphatic Compound, University of Central Florida, Orlando, Florida, 1998 [6] Bettina Schrick, Jennifer L.Blough, A.Daniel Jones, Thomas E Mallouk, Hydrodechlorination of Trichloroethylence to Hydrocarbons using Bimetallic Nikel-Iron nanoparticles, Chem Mater, 14 (2002) 5140 [7] Sherman M Ponder, John G Darab, Thomas E Mallouk, Remediation of Cr(VI) and Pb(II) Aqueous Solutions Using Supported, Nanoscale Zero-valent Iron, Environ Sci Technol 34 (2000) 2564 [8] Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thường, Nghiên cứu tổng hợp nano sắt phương pháp hố học, Tạp chí Khoa học ðHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 23 (2007) 253 N.T Nhung, N.T.K Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ 24 (2008) 305-309 309 The removal of Pb2+ from aqueous solution using Iron nanoparticles Nguyen Thi Nhung, Nguyen Thi Kim Thuong Institute of Geological Sciences, Vietnamese Academy of Science and Technology, 84 Chua Lang, Dong Da, Hanoi, Vietnam Lead (Pb2+) removal from aqueous solution have been investigated using iron nanoparticles In experiences, Lead (Pb2+) concentration varied from to 50 mg/l, iron nanoparticles, from 0,1 to 0.4 g/l, and pH, from 2.5 to 7.5 Commercially iron powder were also used for comparison with the removal efficiency of iron nanoparticles Results have shown that optimum conditions for 100% Pb2+ removal from solution are: mass ratio of Pb2+/ Fe0 nanoparticles = 1/10, pH = 5,0-6,5 and time 10min In studied conditions capacity on Pb2+removal is 325gPb2+/1kg Fe0 nanoparticles Experiment showed also that efficiency for Pb2+ removal by Fe0 nanoparticles was times higher than that of iron comercial powder  ... (hiệu suất loại Pb2+ nano sắt trường hợp ñạt 325mg Pb2+ /1g nano sắt) Có thể nói với tỷ lệ khối lượng Pb2+ /nano Fe khảo sát hiệu suất tách loại Pb2+ nano sắt tỷ lệ thuận với hàm lượng Pb2+ ban ñầu... suất tách loại Pb2+ nano sắt cao gấp lần so với bột sắt thương mại Kết luận - ðã khảo sát tìm ñược ñiều kiện thích hợp ñể tách loại Pb2+ khỏi dung dịch nước nano sắt, là: + Hiệu suất tách loại Pb2+ ... diễn ñồ thị Tài liệu tham khảo 1.2 [Pb]/[Pb]0 + Thời gian 10 phút - So với bột sắt thương mại, hiệu tách loại Pb2+ nano sắt kim loại cao gấp lần - Việc tách loại Pb2+ nano sắt xảy nhanh, tạo cặn