Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt trại cau thái nguyên và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh metyl da cam của vật liệu hấp phụ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  NGUYỄN THỊ THƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮT TRẠI CAU – THÁI NGUYÊN VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  NGUYỄN THỊ THƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮT TRẠI CAU – THÁI NGUYÊN VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 01 13 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Hậu Thái Nguyên - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Thƣơng Xác nhận Xác nhận Của trưởng khoa chuyên môn giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan TS Vũ Thị Hậu i LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo Khoa Hóa học, thầy cô Khoa sau Đại học, thầy cô Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên giảng dạy giúp đỡ em trình học tập, nghiên cứu Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình, bạn bè bên cạnh, ủng hộ động viên em lúc gặp phải khó khăn để em hồn thành q trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu thân hạn chế, nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu xót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo, bạn đồng nghiệp người quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2015 ii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt iv Danh mục bảng biểu v Danh mục hình vi Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Một số phương pháp chế tạo vật liệu 1.1.1 Phương pháp thủy nhiệt 1.1.2 Phương pháp kết tủa 1.1.3 Phương pháp sol-gel 1.1.4 Phương pháp tổng hợp đốt cháy 1.1.5 Phương pháp gốm truyền thống 1.1.6 Phương pháp phóng điện hồ quang 1.1.7 Phương pháp ngưng đọng pha 1.2 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 1.2.1.Các khái niệm 1.2.2 Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt 12 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ 16 1.2.4 Đặc điểm chung hấp phụ môi trường nước 17 1.3 Sơ lược thuốc nhuộm 18 1.3.1 Định nghĩa thuốc nhuộm 18 1.3.2 Phân loại thuốc nhuộm 18 1.4 Tiềm quặng sắt Việt Nam 21 1.5 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh metyl da cam 22 iii 1.5.1 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh 22 1.5.2 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metyl da cam 23 1.6 Giới thiệu phương pháp phân tích trắc quang 24 1.6.1 Cơ sở phương pháp phân tích trắc quang 25 1.6.2 Các phương pháp phân tích định lượng trắc quang 26 1.7 Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 27 1.7.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 27 1.7.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 28 1.7.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 29 Chƣơng THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 30 2.1.1 Thiết bị 30 2.1 30 2.2 Chuẩn bị nguyên liệu 30 2.3 Xác định thành phần hoá học quặng 31 2.4 Chế tạo số mẫu vật liệu hấp phụ 33 2.5 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ 34 2.5.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 34 2.5.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam 35 2.6 Khảo sát sơ khả hấp phụ NL mẫu VLHP chế tạo 36 2.7 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến trình chế tạo vật liệu hấp phụ 38 2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian nung 38 2.7.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung 40 2.8 Một số đặc trưng VLHP M3 43 2.8.1 Diện tích bề mặt riêng 43 2.8.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 43 2.8.3 Xác định điểm đẳng điện VLHP chế tạo 44 2.9 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ metylen xanh, metyl da cam VLHP 46 2.9.1 Khảo sát ảnh hưởng pH 46 2.9.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng đến khả hấp phụ VLHP 49 2.9.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ VLHP 52 2.9.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ VLHP 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 63 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc VLHP BET Brunauer-Emmet-Teller XRD X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) SEM Hiển vi điện tử quét Vật liệu hấp phụ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 13 Bảng 2.1: Thành phần hóa học quặng Sắt Trại Cau-Thái Nguyên 32 Bảng 2.2: Kí hiệu VLHP chế tạo .33 Bảng 2.3: Kết đo độ hấp thụ quang dung dịch metylen xanh với nồng độ khác 35 Bảng 2.4: Kết đo độ hấp thụ quang dung dịch metyl da cam với nồng độ khác 36 Bảng 2.5: Số liệu đánh giá khả hấp phụ NL VLHP metylen xanh metyl da cam 37 Bảng 2.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện VLHP M3 .45 Bảng 2.7: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất dung lượng hấp phụ VLHP .47 Bảng 2.8: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metylen xanh metyl da cam VLHP vào khối lượng VLHP 50 Bảng 2.9: Sự phụ thuộc dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào thời gian 52 Bảng 2.11: Dung lượng hấp phụ cực đại số Langmuir .57 v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Đường đẳng nhiệthấp phụ Langmuir 14 Hình 1.2: Đồ thị phụ thuộc Cf/q vào Cf 14 Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 16 Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb 16 Hình 1.6: Cơng thức cấu tạo metylen xanh 20 Hình 1.7: Cơng thức cấu tạo MB+ 20 Hình 2.1: Giản đồ XRD nguyên liệu 31 Hình 2.2 : Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ 34 Hình 2.3: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 35 Hình 2.4: Đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam 36 Hình 2.5: Đồ thị biểu diễn khả hấp phụ metylen xanh metyl da cam NL mẫu VLHP 37 Hình 2.6: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 2000C 38 Hình 2.7: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 2000C 39 Hình 2.8: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 2000C 39 Hình 2.9: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 1500C 40 Hình 2.10: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 2000C 41 Hình 2.11: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 2500C 41 Hình 2.12: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 3000C 42 Hình 2.13: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung 4000C 42 Hình 2.14: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) VLHP M3 44 Hình 2.15: Đồ thị xác định điểm đẳng điện VLHP M3 45 Hình 2.16: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metylen xanh VLHP vào pH 48 Hình 2.17: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metyl da cam VLHP vào pH 48 Hình 2.18: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metylen xanh VLHP vào khối lượng VLHP 51 Hình 2.19: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metyl da cam VLHP vào khối lượng VLHP 51 Hình2.20: Sự phụ thuộc hiệu suất hấpphụ metylen xanh vào thời gian 53 vi 100 102 100 95 98 90 H(%) H(%) 96 85 94 92 90 80 88 75 86 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 m(g) m(g) Hình 2.18: Sự phụ thuộc hiệu suất Hình 2.19: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metylen xanh VLHP vào hấp phụ metyl da cam VLHPvào khối lƣợng VLHP khối lƣợng VLHP Nhận xét: Từ bảng 2.8 hình 2.18, 2.19ta thấy tăng khối lượng VLHP hiệu suất hấp phụ metylen xanh, metyl da cam tăng, đến giá trị khối lượng định tăng khối lượng VLHP hiệu suất tăng lên khơng đáng kể Điều lí giải tăng lên diện tích bề mặt, tăng lên số vị trí tâm hấp phụcủa VLHP cân nồng độ thuốc nhuộm dung dịch bề mặt chất rắn.Đối với metylen xanh khoảng khối lượng VLHP tăng từ 0,2  0,7g, hiệu suất hấp phụ dao động khơng đáng kể (từ 94,41  94,47%) Vì lựa chọn khối lượng VLHP 0,2g cho nghiên cứu metylen xanh Đối với metyl da cam khoảng khối lượng VLHP tăng từ0,1  0,7g, hiệu suất hấp phụ dao động không đáng kể (từ 99,51  99,54%) Vì chúng tơi lựa 51 chọn khối lượng VLHP 0,1g cho nghiên cứu metyl da cam 2.9.3 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian đến khả hấp phụ VLHP Chuẩn bị bình tam giác có dung tích 100ml Cho 0,2g VLHP vào bình thêm vào 25ml dung dịch metylen xanh có nồng độ đầu 111,28mg/l pH dung dịch điều chỉnh đến pH~7,0 Đem lắc máy lắc thời gian 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180phút nhiệt độ phòng(~25oC) với tốc độ lắc 200 vịng/phút, sau xác định nồng độ cịn lại dung dịch sau hấp phụ điều kiện giống xây dựng đường chuẩn Tương tự với metyl da cam có nồng độ đầu 106,23mg/l, khối lượng VLHP 0,1g, pH dung dịch điều chỉnh đến pH~1,5 Đem lắc máy lắc thời gian 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180phút nhiệt độ phòng(~25oC) với tốc độ lắc 200 vòng/phút, sau xác định nồng độ cịn lại dung dịch sau hấp phụtrong điều kiện giống xây dựng đường chuẩn Kết trình bày bảng 2.9 hình 2.20, 2.21 Bảng 2.9: Sự phụ thuộc dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào thời gian Tên thuốc nhuộm Metylen xanh Metyl da cam Thời gian (phút) 15 30 45 Co (mg/l) 111,28 111,28 111,28 Ccb (mg/l) 16,99 13,44 9,35 60 90 120 150 180 111,28 111,28 111,28 111,28 111,28 15 30 45 84,73 87,93 91,59 q (mg/g) 11,79 12,23 12,74 4,74 4,75 4,79 4,86 4,77 95,74 95,73 95,70 95,64 95,72 13,32 13,32 13,31 13,30 13,31 106,23 26,51 75,05 106,23 106,23 23,07 18,48 78,28 82,60 19,93 20,79 21,94 52 H(%) 60 90 120 106,23 106,23 106,23 12,07 8,02 4,92 88,64 92,45 95,37 23,54 24,55 25,33 150 180 106,23 106,23 5,36 4,97 94,95 95,33 25,22 25,32 98 100 96 95 94 H(%) H(%) 92 90 90 85 88 80 86 75 84 70 82 15 15 30 45 60 90 120 150 180 t(phút) 30 45 60 90 120 150 180 t(phút) Hình2.20: Sự phụ thuộc hiệu suất Hình 2.21: Sự phụ thuộc hiệu hấpphụ metylen xanh vào thời gian suấthấp phụ metyl da cam vào thời gian Nhận xét: Từ hình 2.20 2.21 biểu diễn phụ hiệu suất hấp phụ metylen xanh, metyl da cam vào thời gianđều có dạng tương tự nhau, tăng thời gian hấp phụ hiệu suất hấp phụ tăng nồng độ lại metylen xanh, metyl da cam giảm, đến thời điểm định tăng thời gian hấp phụ hiệu suất hấp phụ tăng lên khơng đángkể trình hấp phụ đạt cân Cụ thể sau: Trong khoảng 15  60phút hiệu suất hấp phụ metylen xanh tăng tương đối nhanh,tăng theo quy luật gần tuyến tính (từ 84,73  95,74%) dần ổn định khoảng thời gian 60  180phút Do vậy, chọn thời gian đạt cân 53 hấp phụ metylen xanhlà 60phút Kết sử dụng cho thí nghiệm Trong khoảng 15  120 phút hiệu suất hấp phụ metyl da camtăng tương đối nhanh từ 75,05  95,37% dần ổn định khoảng thời gian 120  180phút Do vậy, chọn thời gian đạt cân hấp phụ metyl da cam 120phút Kết sử dụng cho thí nghiệm 2.9.4 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ VLHP Chuẩn bị bình tam giác có dung tích 100ml Cho 0,2g VLHP vào bình thêm vào 25ml dung dịch metylen xanh có nồng độ đầu thay đổi: 52,67; 106,87; 157,42; 212,23; 232,12; 270,89; 321,67;402,93mg/l Các dung dịch giữ ổn định pH=7,1 Tiến hành lắc với tốc độ 200 vòng/phút nhiệt độ phòng (~25oC) 60phút, sau xác định nồng độ metylen xanh sau hấp phụ điều kiện giống xây dựng đường chuẩn Chuẩn bị bình tam giác có dung tích 100ml Cho 0,1g VLHP vào bình thêm vào 25ml dung dịch metyl da cam có nồng độ đầu thay đổi: 64,08; 109,48; 122,57; 162,93; 291,68; 345,09; 462,94; 524,31mg/l Các dung dịch giữ ổn định pH = 1,5 Tiến hành lắc với tốc độ 200 vòng/phút nhiệt độ phòng (~25oC) 120phút, sau xác định nồng độ metyl da cam sau hấp phụ điều kiện giống xây dựng đường chuẩn Bảng 2.10: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ metylen xanh metyl da cam VLHP vào nồng độ Tên thuốc nhuộm Metylen xanh Co(mg/l) Ccb(mg/l) H(%) q(mg/g) Ccb/q(g/l) 52,67 0,60 98,87 6,51 0,09 106,87 1,33 98,76 13,19 0,10 157,42 2,07 98,68 19,42 0,11 212,23 4,26 97,99 26,00 0,16 232,12 6,20 97,33 28,24 0,22 270,89 10,41 96,16 32,56 0,32 321,67 19,39 93,97 37,78 0,51 54 Metyl da cam 402,93 44,46 88,97 44,81 0,99 64,08 1,055 98,35 15,76 0,067 109,48 1,697 98,45 26,95 0,063 122,57 2,233 98,18 30,08 0,07 162,93 4,355 97,33 39,64 0,11 291,68 10,759 96,31 70,23 0,15 345,09 32,849 90,48 78,06 0,42 462,94 92,680 79,98 92,56 1,00 524,31 130,965 75,02 98,34 1,33 Nhận xét:Từ bảng kết ta thấy tăng nồng độ chất bị hấp phụ hiệu suất hấp phụ giảm dung lượng hấp phụ tăng Điều giải thích sau: Tốc độ hấp phụ tuân theo quy luật:vhp = khp.C( 1- θ ); (θ: Độ che phủ) Ở nồng độ thấp (dung dịch loãng ), 1- θ = const, C tăng vhp tăng tuyến tính Tuy nhiên, giai đoạn tồn thời gian định tùy thuộc vào chất chất bị hấp phụ chất hấp phụ Sau đó, tiếp tục tăng nồng độ vhp tăng khơng kể đến mức tiếp tục tăng nồng độ khơng tăng mà chí giảm Cụ thể là: Trong khoảng nồng độ ban đầu khảo sát từ 52,67÷402,93mg/l metylen xanhhiệu suất hấp phụ VLHP giảm từ 98,87÷88,97%, dung lượng hấp phụ tăng từ 6,51  44,81mg/g Đối với metyl da cam khoảng nồng độ ban đầu khảo sát từ 64,08  524,31mg/l hiệu suất hấp phụ VLHP giảm từ98,35  75,02%, dung lượng hấp phụ tăng từ 15,76  98,34mg/g Từ kết thu bảng 2.10 nghiên cứu cân hấp phụ metylen xanh metyl da cam VLHP theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Kết trình bày hình 2.22 2.23 55 1.20 50 R² = 0.995 45 y = 0.020x + 0.082 R² = 0.997 1.00 40 0.80 30 Ccb/q(g/l) q(mg/g) 35 25 20 0.60 0.40 15 10 0.20 0.00 0 20 40 Ccb(mg/l) 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 Ccb(mg/l) 60 Hình 2.22: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Hình 2.23: Sự phụ thuộc Ccb/q Langmuir VLHP vào Ccb metylen xanh metylen xanh 120 1.6 R² = 0.997 100 1.4 y = 0.009x + 0.060 R² = 0.998 1.2 Ccb/q(g/l) q(mg/g) 80 60 40 0.8 0.6 0.4 20 0.2 0 50 100 Ccb(mg/l) 150 50 100 Ccb(mg/l) 150 Hình 2.24: Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Hình 2.25: Sự phụ thuộc Ccb/q Langmuir VLHP đối vào Ccb metyl da cam với metyl da cam Từ đồ thị phụ thuộc Ccb/q vào Ccb hấp phụ metylen xanh metyl da cam VLHP, ta xác định dung lượng hấp phụ cực đại qmax số b 56 Bảng 2.11:Dung lƣợng hấp phụ cực đại số Langmuir Metylen xanh Metyl da cam qmax(mg/g) số b qmax(mg/g) số b 48,08 0,25 101,01 0,16 Nhận xét: Từ kết khảo sát cho thấy: Sự hấp phụ metylen xanh metyl da cam VLHP mơ tả tốt theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Điều thể thơng qua hệ số hồi quy phương trình: R2>0,99 Trong khoảng nồng độ khảo sát khả hấp phụ metyl da cam VLHP cao metylen xanh Từ giá trị b tính bảng 2.11 giá trị C0 bảng 2.10 thay vào cơng thức RL = 1/(1+b.C0) tính giá trị 0