Nghiên cứu đặc tính hấp phụ và vận chuyển một số ion kim loại nặng và ion amoni trên nhôm ôxit silic ôxit và đá ong có kích thước micro nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐHQGHN BÁO CÁO TỎNG KÉT KÉT QUẢ THỤC HIỆN ĐÈ TÀI KH&CN CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài: Nghiên cứu đặc tính hấp phụ vận chuyển số ion kim loại nặng ion amoni nhôm ôxit, silic ôxit đá ong có kích thước micro-nano Mã số đề tài: QG 16.12 Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Tiến Đức ĐAI HỌC QUÓC GIA HA NỌi_ TRUNG TAM THÕNG TIN THƯ VIỆN 0 0 0 Hà Nội, 2017 PHẦN [ THÔNG TIN CHUNG 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu đặc tính hấp phụ vận chuyển m ột số ion kim loại nặng ion amoni nhôm ôxit, silic ôxit đá ong có kích thước micro-nano 1.2 Mã số: QG 16.12 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Chức danh, học vị, họ tên Đơn vị cơng tác Vai trị thưc đề tài TS P h ạm T iến Đ ứ c K h o a H ó a học, T rư n g Đ H K H T N Chủ nhiệm đề tài PG S.TS P h ạm T hị N gọc M K hoa H ó a học, T rư n g Đ H K H T N Thành viên tham gia TS N g u y ễn T h ị Á nh H ường K hoa H ó a học, T rư n g Đ H K H T N Thành viên tham gia ThS N g u y ễn M ạn h H K h oa H ó a học, T rư n g Đ H K H T N Thành viên tham gia CN N g u y ễn N g ọ c V iệt K h oa H ó a học, T rư n g Đ H K H T N Học viên cao học 1.4 Đon vị chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đ ại học Quốc gia Hà Nội 1.5 Thòi gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2016 đến tháng 12 năm 2017 1.5.2 Gia hạn (nếu có ): đến tháng năm 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2016 đến tháng 12 năm 2017 1.6 Những thay đỗi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Ve mục tiêu, nội dung, phư n g pháp, kết nghiên cím tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ỷ kiến Cơ quan quàn lý) 1.7 Tổng kinh phí đưọc phê duyệt đề tài: 350 triệu đồng PHÀN II TỎNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u Viết theo cấu trúc m ột báo khoa học tổng quan từ 6-15 trang (báo cáo đăng tạp chí khoa học ĐHQGHN sau đề tài nghiệm thu), nội dung gồm phần: Đặt vấn đề Sự phát triển khoa học kĩ thuật cồng nghệ làm cho đời sống người ngày nâng cao Tuy nhiên, phát triển gây tình trạng nhiễm môi trường, môi trường nước M ột số chất gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước phải kể đến kim loại nặng amoni Các kim loại nặng amoni không gây nhiễm mơi trường m cịn gây ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ người, liên quan trực tiếp đến biến đổi gan, thận, gây ung thư nhiều bệnh khác dù hàm lượng nhỏ Kim loại nặng amoni gây ảnh hưởng xấu tới thành phần sinh học thành phần khác môi trường nước Các ion kim loại nặng độc hại độc hại thải nguồn nước từ nhiều hoạt động sống sản xuất người Pb2+, C u 2+, C d 2+ k h i am oni dung d ịch thường tồn dạng N H 4+ [ 1- ] V iệ c nghiên cứu v xử lý ion kim loại nặng am oni nước có v a i trị quan trọng bảo vệ sức khoẻ co n người D o đó, nghiên cứu xử lý ion k im lo ại nặng v am oni thu hút quan tâm củ a nhà khoa học v ng o ài nước C c ion kim loại nặng v am oni nguồn nước xử lý số phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp keo tụ, Trong số phương pháp xử lý ion kim loại nặng v am oni m ôi trường nước, hấp phụ sử dụng vật liệ u rẻ tiền, sẵn có từ nguồn thải, nguồn phụ phẩm nơng nghiệp hay vật liệu có nguồn gốc tự nhiên loại khoáng sét số phương pháp hiệu cao phù họp với nước phát triển Nhôm oxit (A I2O 3), silica oxit (S 1O 2) chất hấp phụ quan trọng nghiên cứu rộng rãi công nghiệp hố học, mơi trường [1, 2] Trong đó, đá ong khống sét tự nhiên có chứa oxit kim loại điển hình có khả chế tạo thành vật liệu hấp phụ tốt Những nghiên cứu gần cho thấy q trình biến tính AI2 O , S 1O đá ong bàng chất hoạt động bề mặt polyme mang điện thân thiện với mơi trường thay đổi nhiều đặc tính bề mặt vật liệu hướng tới triển vọng để xử lý ion kim loại nặng độc hại Ngoài ra, AI2O 3, S 1O đá ong biến tính chất hoạt động bề mặt polyme mang điện để xử lý ô nhiễm kim loại nặng amoni phát triển thành vật liệu pha tĩnh cho kĩ thuật chiết pha rắn làm giàu xác định kim loại nặng amoni nguồn nước cần mang vật liệu kích thước m icrom et lên cột nhồi Vì vậy, nghiên cứu khả vận chuyển ion kim loại nặng cột nhồi vật liệu hấp phụ kích thước micromet quan trọng Nghiên cứu đặc tính hấp phụ vận chuyển ion kim loại nặng (Cu2+, Pb2+ Cd2+) N H 4+ vật liệu AI2O3, S 1O đá ong biến tính chất hoạt động bề m ặt polyme mang điện để xử lý chất thải vô gây ô nhiễm, ứng dụng vào kĩ thuật chiết pha rắn làm giàu xách định ìon Cu2+, Pb2+, Cd2+ N H + hướng nghiên cứu mới, chưa công bố nước [2 - ] Đ ề tài khoa học ngh iê n u đặc tính hấp phụ v vậ n chu yển io n k im loại nặng (C u 2+, Pb2+ v C d 2+) N H 4+ vật liệ u AI2O3, S1O2 v đá ong có k íc h thước nanom et m icrom et chế tạo biến tính chất hoạt động bề mặt polym e mang điện ứng dụng xử lý m ô i trường k ĩ thuật chiết pha rắn làm giàu v xá c đ ịn h chúng Đ ể thực m ụ c tiêu trên, ng hiên cứu hoạt hóa v x lý bề mặt ô x it k im loại AI2O3, S1O2 đá ong có kích thước micro-nano nhiệt độ cao biến tính bề mặt hấp phụ chất hoạt động bề mặt polyme m ang điện tích Đặc tính cấu trúc đặc tính bề mặt vật liệu ơxit kim loại O , S 1O đá ong đánh giá phương pháp vật lý hoá lý đại Sau đó, nghiên cứu khả hấp phụ đặc tính hấp phụ Cu2+, Pb2+, Cd amoni N H 4+ AI2O3, S 1O đá ong biến tín h hấp phụ chất hoạt động bề mặt Đ án h giá trình hấp phụ đẳng nhiệt mơ h ìn h hai bước hấp phụ So sánh thực n g hiệm vớ i m h ìn h hấp phụ đẳng nhiệt v đánh giá thay đổi đ iện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt để đề xuất chế hấp phụ Mục tiêu Đ ề tài nghiên u chế tạo biến tính vật liệ u ô x it kim lo ại bao gồm AI2O3, S1O2 v khoáng sét đá ong để tăng dung lượng hấp phụ io n m ôi trường nước N g h iê n cứu đặc tính hấp phụ bề mặt số ion kim loại nặng (Cu2+, Pb2+, Cd2+) ion amoni (NH 4*) vật liệu ơxit kim loại A I2O 3, SÌO2 khống sét đá ong với kích thước cỡ micro-nano T đó, nghiên cứu cách hệ thống đặc tính hấp phụ bề mặt số ion kim loại nặng (Cu2+, Pb2+, Cd2+) ion am oni (NH4+) gây ô nhiễm nguồn nước vật liệ u AI2O3 S1O2 v khoáng sét đá ong vớ i kích thước micro-nano biến tính bề mặt chất hoạt động bề mặt polym e mang điện tích Đe tài nghiên cứu q trình vận chuyển ion kim loại nặng (Cu2+, Pb2+, Cd2+) ion amoni (N tỈ +) cột nhồi ôxit kim loại đá ong biến tính để ứng dụng xừ lý nước bị ô nhiễm kim loại nặng amoni Ngoài ra, cột nhồi oxit kim loại ứng dụng làm pha tĩnh kĩ thuật chiết pha rắn để làm giàu xác định kim loại nặng Pb2+, Cd2+ m ẫu nước hồ Phương pháp nghiên cứu Đe tài khoa học sử dụng nhiều phương pháp phân tích bề mặt cấu trúc vật liệu AI2 O , S 1O đá ong Cấu trúc vật liệu xác định phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Kích thước độ xốp tương đối vật liệu đánh giá bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Trong đó, thành phần ơxit kim loại, cacbon tạp chất vật liệu phân tích phương pháp khối phổ plasm a cao tần cảm ứng (ICP-MS) đo tổng cacbon Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp N theo BET sử dụng để xác định diện tích bề mặt phân bố lồ xốp Đện tích bề mặt vật liệu đánh gia chuẩn độ điện đo zeta Các phương pháp nghiên cứu đặc tính hấp phụ vận chuyển: N ghiên cứu hấp phụ tĩnh, đánh giá ảnh hưởng pH nồng độ muối đến hấp phụ chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) polyme m ang điện tích Xác định thay đổi điện tích bề mặt sau hấp phụ CHĐBM polyme mang điện tích đo zeta Phân tích nhóm chức đặc trưng sau hấp phụ CHĐBM polyme vật liệu AI2O 3, S 1O đá ong phổ hồng ngoại FT"IR Phương pháp đo động học thiết kế lấy phân đoạn dung dịch để đánh giá đặc tính vận chuyển ion kim loại nặng ion amoni Đối với nghiên cứu hấp phụ vận chuyển ion kim loại nặng, ion amoni vật liệu phư ơng pháp phân tích quan trọng N g h iê n cứu xá c đ ịnh nồng độ kim lo ại nặng phương pháp ICP-MS phổ hấp thụ nguyên tử AAS Phân tích nồng độ ion amoni phương pháp trắc quang phương pháp điện di mao quản Đo phổ UV-Vis phức cặp ion chất hoạt động bề mặt (CHĐBM ) với phẩm màu mang điện tích trái dấu dung mơi hữu để xác định nồng độ CHĐBM Phương pháp phổ UV-Vis đo tổng cacbon tổng nitơ xác định nồng độ polym e mang điện tích Tổng kết kết nghiên cứu 4.1 Đặc tính cấu trúc, bề m ặt nhóm chức lioạí hố vật liệu Các vật liệu AI2O 3, S 1O đá ong sau tổng hợp xác định cấu trúc phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) Kết giản đồ XRD cho H ình đến Hình 3 Paculty o f C hem istry, HU S , V N U , D8 ADVAN C E -B ru ke r - A I2 Hình Giản đồ XRD vật liệu A I2 O tổng hợp từ hoá chất tinh khiết 2-Theta - Scale Hình Giản đỗ XRD vật liệu S 1O chế tạo từ vỏ trấu 2-Theta - Scale Hình Giản đồ XRD vật liệu đả ong đựoc x lý bề mặt Giản đồ XRD vật liệu AI2O3, S 1O đá ong cho thấy vật liệu AI2O3, S 1O có cấu trúc đơn giản vật liệu đá ong có nhiều pha phức tạp [1-3] Vật liệu AI2O3 tổng hợp từ h oá chất tinh khiết phịng thí nghiệm có cấu trúc dạng alpha bền vững ( góc đặc - trưng 25, 35, 43 58); S 1O chế tạo từ vỏ trấu có cấu trúc vơ định hình ( từ - 24), cấu trúc đá ong pha số oxit kim loại silica dạng quarzt pha hematite geothite oxit sắt từ 45 6 ) [1,3]- Như vậy, vật liệu AI2 O , S 1O đá ong chế tạo thành công (20 B e mặt củ a vật liệ u đánh giá phương pháp k ín h hiến v i đ iện tử quét (S E M ) Á nh S E M AI2O3, S1O2 đá ong H ìn h đến H ìn h m HSSL * mM t§ ■ ■ fầ ự S4800-NIHE ID.OkV 9.4mm x200k SE(M,LA0) 4/ 13/2017' ' ' ' '2Ịũnm Hình Ảnh SE M vật liệu A I O tổng hợp từ ìtố chất tinh khiết Hình Anli SE M vật liệu S 1O chế tạo từ vỏ trấu (a) (b) Hình Ảnh S E M vật liệu đá ong, (a) vật liệu đá ong ban đầu (b) x lý bề mặt K ết ảnh S E M vật liệu AI2O3, S1O2 v đá ong cho thấy kh i AI2O3, S1O2 có bề mặt xốp v có k íc h thước cỡ nanom et đá ong có bề m ặt trơ v có k íc h thước m icrom et [1 , ]• C ác n hó m c bề mặt AI2O3, S1O2 v đá ong đánh giá phương pháp phố hồng ngoại ( F T - IR ) K ế t phổ I R AI2O3, S1O2 đá ong cho H ìn h đến H ìn h H ìn li P h ổ hồng ngoại (F T - IR ) vật liệu AI2O3 Hìnli Phổ hồng ngoại (FT-ỈR) vất liệu SÌO ch ế tạo từ vỏ trâu H ìn h P h ổ hồng ngoại ( F T - IR ) vật liệ u đá ong H ìn h đến H ìn h cho thấy nhóm c hoạt động đặc trưng củ a vật liệ u AI2O3, S i v đá ong thể h iện phổ hồng ngoại ( F T - IR ) chứng tỏ vật liệ u hấp phụ chê tạo v b iến tín h thành ng [ 1- ] 4.2 Đặc tỉnh hấp pliụ iort kim loại nặng AI2O3, S 1O đá ong H ấ p phụ đẳng nhiệt ion k im loại nặng AI2O3, S1O2 v đá ong tiến hành nhiệt độ phòng 25°c ± 3°c , nhiệt độ khống chế đ iều hoà nhiệt độ 4.2.1 Đặc tính hấp p h ụ ion kim loại nặng a) Anh hưởng p H Vật liệu AI2O3 đá ong biến tính bàng cách lắc 3h với dung dịch SDS 0,01 M (pH= 4,0) muối NaCl 0,1M Sau biến tính SDS, vật liệu AI2 O (M2) sử dụng để hấp phụ xử lý ion kim loại nặng Pb2+ Cd2+ xử lý Cu2+ nghiên cứu vật liệu đá ong Hiệu suất xử lý tính theo cơng thức: 0/0H - g l l ĩ i i 100 (1) Trong %H hiệu suất xử lý, c o nồng độ ban đầu (M), Ce nồng độ cân Nồng độ ion kim loại nặng dung dịch phân tích phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS) phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) nồng độ ion amoni phân tích phương pháp UV-Vis điện di mao quản (CE-C D) Hình 10 Ảnh hưởng p H tới hiệu suất x lỹ P b2+ Kết khảo sát ảnh hưởng pH (Hình 10 H ình 11) cho thấy hiệu xử lý Pb2+, Cd2+ dung dịch tăng lên đáng kể sử dụng vật liệu xử lý biến tính (Mi M 2) Vật liệu M i cho hiệu xử lý tôt vật liệu chưa xử lý (Mo) lý giải trình xử lý bê mặt với N aOH làm tăng hoá thê bê mặt vật liệu hâp phụ AI2O3 dân tới hâp phụ tôt Vật liệu M có hiệu xử lý tốt so với Mo Mi khoảng pH 3-7 Môi trường pH tối ưu pH = , hấp phụ proton H+ bề mặt AI2O3 khơng đáng kể bê mặt vật liệu M mang điện tích âm hình thành lớp mixen kép với SDS Lớp mixen kép hình thành bê mặt AI2O3 làm vật liệu hấp phụ có điện tích bề mặt âm hơn, hiệu suất hấp phụ Pb2+, Cd2+ tăng lên so với vật liệu Mi dù không lớn Ở pH thấp, nồng độ H+ lớn bề mặt vật liệu mang điện tích dirơng khó hấp phụ cation Pb2+, Cd2+ Khi pH > , trình giải hấp SDS tăng cường làm bề mặt âm điện giảm khả hấp phụ Pb2+, Cd2+ [6 ] Vì vậy, pH= chọn để nghiên cứu điều kiện hấp phụ xử lý Pb2+, Cd2+ sử dụng AI2O3 pH Hình 11 Ảnh hưởng p H tới hiệu suất x lỷ Cd r Hấp phụ ion Cu2+ đá ong biến tính SDS cho hình 12 pH H ình 12 Ảnh hưởng p H tới hiệu suất x lý Cu2+ Hình 12 cho thấy hiệu suất xử lý Cu2+ đá ong biến tính với SDS tăng tăng pH dung dịch từ đến cạnh tranh proton H+ pH thấp Tuy nhiên, pH > 7, khả giải hấp SDS khỏi bề mặt đá ong tăng cường nên hiệu suất xử lý giảm [3] Như vậy, pH = tối ưu đê xử lý ion Cu2+ nước b) Anh hưởng thời gian tới cân hấp phụ Kết khảo sát khả hấp phụ Pb2+ Cd2+ vật liệu AI2 O (M 2) khoảng thời gian khác từ 30 đến 240 phút Kết nghiên cứu thể Hình 13 Hình 14 100 %H 80 75 70 T -1 - —r - 50 100 150 t (phút) 200 250 300 Hình 13 Ảnh hưởng thời gian tới cân hấp p liụ Pb t (phút) Hình 14 Ảnh hưởng thời gian tới cân hấp ph ụ Cd2+ Qua kết khảo sát ảnh hưởng thời gian hấp phụ (Hình 13 Hình 14) tới hiệu suất xử lý Pb2+, Cd2+ vật liệu M thấy tăng thời gian hấp phụ, hiệu xử lý tăng Thời gian hấp phụ đạt cân 180 phút với Pb2+ 120 phút Cd2+ N hư vậy, thời gian hấp phụ chọn 180 phút với Pb2+ 120 phút Cd2+ [3] Đối với hấp phụ xử lý Cu2+ sử dụng đá ong biến tính với SDS (Hình 15) cho thấy hiệu xử lý tăng từ 10 đến 90 phút sau lại giảm dung dịch muối có N a+ có khả ảnh hưởng đến hấp phụ Cu2+ N hư thời gian hấp phụ Cu2+ chọn 90 phút [6 ] ... THÔNG TIN CHUNG 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu đặc tính hấp phụ vận chuyển m ột số ion kim loại nặng ion amoni nhôm ơxit, silic ơxit đá ong có kích thước micro- nano 1.2 Mã số: QG 16.12 1.3 Danh sách chủ... VÈ ĐÈ TÀI - Tên đề tài iêng V iệt: N ghiên cứu đặc tính hấp phụ vận chuyển m ột số ion kim loại nặng nhôm ôxit, silic ơxit đá ong có kích thước micro- nano T iên g A nh: S tu d y on a d s o rp... tính hấp phụ bề mặt số ion kim loại nặng (Cu2+, Pb2+, Cd2+) ion amoni (NH 4*) vật liệu ôxit kim loại A I2O 3, SÌO2 khống sét đá ong với kích thước cỡ micro- nano T đó, nghiên cứu cách hệ thống đặc