Tổng hợp oxit hỗn hợp fe2o3 mn2o3 kích thước nanomet hấp phụ amoni, asen, sắt và mangan trong nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÙI THỊ HIỀN TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP Fe2O3- Mn2O3 KÍCH THƯỚC NANOMET HẤP PHỤ AMONI, ASEN, SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái nguyên – Năm 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Lƣu Minh Đại ngƣời tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Khoa Học Vật liệu, anh chị , em phịng Vật liệu Vơ - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, thầy cô giáo trƣờng Đại học Sƣ phạm Thái Nguyên nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn phịng có liên quan Viện Hoá học, Viện khoa học Vật liệu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ q trình thực đề tài Cuối tơi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân gia đình ln ln quan tâm, động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tác giả Luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu tơi dƣới hƣớng dẫn PGS TS Lƣu Minh Đại Các số liệu kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực TÁC GIẢ LUẬN VĂN Bùi Thị Hiền Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU .1 Phần 1: TỔNG QUAN 1.1.Tài nguyên nƣớc ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 1.1.1.Tài nguyên nƣớc 1.1.2 Nguồn nƣớc ngầm .2 1.1.3 Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 1.1.4 Tác hại amoni, asen, mangan, sắt ngƣời 1.1.4.1 Amoni .6 1.1.4.2 Asen 1.1.4.3 Sắt 1.1.4.4 Mangan 1.2 Các giải pháp xử lí asen, sắt, mangan amoni .9 1.2.1 Phƣơng pháp trao đối ion 1.2.2 Phƣơng pháp đồng kết tủa 10 1.2.3 Phƣơng pháp oxi hóa 11 1.2.4 Phƣơng pháp hấp phụ 12 1.2.4.1 Khái niệm chung 12 1.2.4.2 Hấp phụ vật lí hấp phụ hóa học .12 1.2.4.3 Cân hấp phụ tải trọng hấp phụ 13 1.2.4.4 Phƣơng trình động học hấp phụ 14 1.2.5 Một số cơng nghệ xử lí nƣớc nhiễm asen, amoni, sắt, mangan 15 1.3 Lựa chọn phƣơng pháp loại bỏ Asen, sắt, mangan amoni 18 1.4 Công nghệ nano 20 1.4.1.Vật liệu nano 20 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 1.4.1.1 Giới thiệu vật liệu nano 20 1.4.1.2 Một số ứng dụng vật liệu nano 20 1.4.2 Một số phƣơng pháp tổng hợp oxit nano 21 1.4.2.1 Phƣơng pháp đồng kết tủa 21 1.4.2.2.Phƣơng pháp gốm truyền thống 22 1.4.2.3 Phƣơng pháp đồng tạo phức 22 1.4.2.4 Phƣơng pháp sol – gel 23 1.4.2.5 Phƣơng pháp đốt cháy gel polime .24 Phần 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Hóa chất thiết bị 26 2.1.1 Thiết bị 26 2.1.2 Hóa chất 26 2.2 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 26 2.2.1 Tổng hợp oxit hệ mangan - sắt kích thƣớc nanomet .26 2.2.2 Tổng hợp vật liệu chứa oxit nano hệ Fe – Mn cát thạch anh 27 2.3 Nghiên cứu hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 27 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu 29 2.4.1 Các phƣơng pháp phân tích .29 2.4.1.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt 29 2.4.1.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ rơnghen 30 2.4.1.3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 30 2.4.1.4 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt (BET) .31 2.3.1.5 phƣơng pháp xác định điểm điện tích khơng vật liệu 31 2.4.2.Các phƣơng pháp xác định hàm lƣợng kim loại nƣớc 32 2.4.2.1 Phƣơng pháp xác định Asen .32 2.4.2.2 Phƣơng pháp xác định sắt 32 2.4.2.3 Phƣơng pháp xác định Mangan 32 2.4.2.4 Phƣơng pháp xác định amoni 33 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii Phần 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .34 Chƣơng 1: VẬT LIỆU OXIT HỖN HỢP HỆ Fe - Mn .34 1.1 Tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Mn –Fe kích thƣớc nanomet .34 1.1.1 kết phân tích nhiệt .34 1.1.2 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ nung 35 1.1.3.Lựa chọn tỉ lệ mol kim loại 36 1.1.4.Khảo sát ảnh hƣởng pH tạo gel 37 1.1.5.Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ tạo gel 38 1.1.6 Điện tích điểm khơng vật liệu 39 1.2 Đánh giá khả hấp phụ asen oxit hệ Fe – Mn 40 1.2.1 Khảo sát hấp phụ As vật liệu oxit hỗn hợp Fe – Mn 41 1.2.2 Đánh giá khả hấp phụ Amoni vật liệu hệ Fe – Mn 45 1.2.3 Đánh giá khả hấp phụ sắt oxit hệ Mn – Fe .47 1.2.4 Đánh giá khả hấp phụ mangan oxit hệ Mn – Fe 49 1.3 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả hấp phụ vật liệu .51 1.3.1 Khảo sát ảnh hƣởng pH 51 1.3.2.Khảo sát ảnh hƣởng có mặt cation NH4+, Mn2+ Fe3+ .52 1.3.3.Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ 52 Chƣơng 2: VẬT LIỆU OXIT HỖN HỢP HỆ Fe – Mn TRÊN CÁT THẠCH ANH 54 2.1 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 54 2.2.Đánh giá khả hấp phụ vật liệu oxit hệ Fe - Mn /CTA 55 2.2.1.Khảo sát hấp phụ As theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir 55 2.2.2.khả hấp phụ amoni oxit hệ Fe – Mn / CTA 57 2.2.3 Khảo sát khả hấp phụ sắt oxit hệ Fe – Mn/CTA .58 2.2.4.Khảo sát khả hấp phụ mangan oxit hệ Fe – Mn /CTA 59 KẾT LUẬN .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Đƣờng cong động học biểu thị phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào thời gian nồng độ chất bị hấp phụ ( C1 > C2) 14 Hình 2.1 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt langmuir Sự phụ thuộc Cf/q vào Cf 29 Hình 3.1.Giản đồ phân tích nhiệt DTA DGA mẫu gel Fe – Mn 35 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen đƣợc nung nhiệt độ khác .36 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen mẫu chế tạo tỉ lệ Fe/ Mn khác .37 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen mẫu đƣợc tổng hợp pH khác 38 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen mẫu nhiệt độ tạo gel khác 38 Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu nung 4500C .39 Hình 3.7 Đồ thi biểu diễn phụ thuộc ΔpH vào pHi .40 Hình 3.8 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Asen 42 Hình 3.9 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(III) vật liệu oxit hệ Mn – Fe 43 Hình 3.10 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(V) vật liệu oxit hệ Mn - Fe 44 Hình 3.11 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ amoni 46 Hình 3.12 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ amoni oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn 47 Hình 3.13 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ sắt 48 Hình 3.14 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) vật liệu oxit hệ Mn – Fe 49 Hình 3.15 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ mangan .50 Hình 3.16 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe - Mn 51 Hình 3.17 Biểu đồ phụ thuộc lnkđ vào 3 10 53 T Hình 3.18 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen vật liệu oxit hỗn hợp .55 Hình 3.19 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(III) oxit hệ Fe - Mn /CTA 56 Hình 3.20 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ As(V) ơxit hệ Fe - Mn /C TA 57 Hình 3.21 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ amoni oxit hệ Fe – Mn/CTA .58 Hình 3.22 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) hệ Fe -Mn /C T.A 59 Hình 3.23 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe – Mn /CTA 60 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số cơng nghệ xử lí nƣớc nhiễm asen, sắt, mangan, amoni [20,21] 15 Bảng 3.1 Bảng kết xác định giá trị pH 40 Bảng 3.2.Dung lƣợng hấp phụ As mẫu với tỉ lệ Fe/Mn khác .41 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ As(III) oxit hệ Mn – Fe .41 Bảng 3.4 Dung lƣợng hấp phụ As(III) oxit hỗn hợp hệ Fe - Mn 42 Bảng 3.5:Dung lƣợng hấp phụ As(V) oxit hệ Mn - Fe 43 Bảng 3.6 Dung lƣợng hấp phụ số oxit nano .45 Bảng 3.7 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ amoni 45 Bảng 3.8 Dung lƣợng hấp phụ amoni oxit hỗn hợp hệ Fe – Miền Nam 46 Bảng 3.9 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ sắt 47 Bảng 3.10 Dung lƣợng hấp phụ Fe(III) vật liệu oxit hệ Mn - Fe 48 Bảng 3.11 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) oxit 49 hệ Fe - Mn 49 Bảng 3.12: Dung lƣợng hấp phụ Mn(II) vật liệu oxit hệ Mn - Fe .50 Bảng 3.13: Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất hấp phụ asen tr ên oxit hệ Fe- Mn 51 Bảng 3.14: Ảnh hƣởng cation đến hiệu suất hấp phụ (H%) As (V) 52 Bảng 3.15 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến khả hấp phụ oxit hệ Fe- Mn 52 Bảng 3.16: Kết xác định hàm lƣợng sắt, mangan cát thạch anh 54 Bảng 3.17: Dung lƣợng hấp phụ As(III) vật liệu oxit hệ Mn - Fe/ CTA 55 Bảng 3.18:Dung lƣợng hấp phụ As(V) oxit hệ Fe - Mn / T.A .56 Bảng 3.19 Dung lƣợng hấp phụ amoni oxit hệ Fe – Mn /TA 57 Bảng 3.20 Dung lƣợng hấp phụ Fe(III) hệ Fe - Mn / CT.A .58 Bảng 3.21 Dung lƣợng hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe – Mn/CTA 59 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi CÁC CHỮ VÀ KÍ HIỆU VIẾT TẮT XRD Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X SEM Kính hiên vi điện tử quét CS Tổng hợp đốt cháy SHS Quá trình lan truyên nhiệt độ cao phát sinh phản ứng PVA poly vinyl alcohol BET Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam KL/PVA Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lƣợng poly vinyl alcohol theo mol CTA Cát thạch anh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Nƣớc tài ngun đóng vai trị quan trọng sinh hoạt sản xuất, tồn song song với phát triển ngƣời, đâu có nƣớc có sống Ngày nay, với tốc độ Cơng nghiệp hố, Đơ thị hố nhanh gia tăng dân số gây áp lực nặng nề môi trƣờng nƣớc, theo thông báo Bộ tài nguyên môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm nặng nề chất vô hữu cơ, amoni số kim loại nặng gây nhiều tác hại nguy hiểm ngƣời mơi trƣờng sống, tiềm ẩn nguy gây bệnh nhƣ ung thƣ, mẩn ngứa, biến đổi gel…Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu nƣớc cho ngƣời dân với việc tìm nguồn nƣớc vấn đề xử lí loại bỏ amoni, số kim loại nhƣ asen, sắt, mangan nƣớc cần thiết Có nhiều phƣơng pháp để loại bỏ amoni, sắt, asen mangan khỏi nƣớc nhƣ: Phƣơng pháp oxi hoá, phƣơng pháp trao đổi ion phƣơng pháp vi sinh, phƣơng pháp hấp phụ… có nhiều loại vật liệu để xử lí asen, amoni, sắt mangan nhƣ đá ong, bentonit, diatonit … Hiện nay, vật liệu hấp phụ chứa oxit kim loại có kích thƣớc nanomet thu hút đƣợc quan tâm nhiều nhà khoa học khả vƣợt trội so với vật liệu thông thƣờng Việt Nam quốc gia giầu tài nguyên sắt mangan, nguồn nguyên liệu đầu vào ổn định, giá thành hợp lí để chế tạo vật liệu hấp phụ hệ Fe – Mn kích thƣớc nanomet để xử lí sắt, mangan, asen amoni Dựa sở đó, nhằm đẩy mạnh hƣớng cơng nghệ chế tạo vật liệu kích thƣớc nanomet ứng dụng loại sản phẩm vào sống sản xuất nhƣ sử dụng tài ngun có sẵn nƣớc Vì vây, chúng tơi lựa chọn nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu kích thước nanomet hệ Fe – Mn để hấp phụ sắt, mangan, asen amoni nước” Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 51 Đ-ờng hấp phụ đẳng nhiệt langmuir q=Qmax.b.Cf/(1+b.Cf) 125 125 100 100 75 75 50 50 25 25 0 50 100 150 Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) r^2=0.97354994 DF Adj r^2=0.96599278 FitStdErr=8.3479673 Fstat=294.45675 Qmax=140.1935 b=0.00051391765 150 150 200 Nồng độ Mn lại Cf (mg/l) Hỡnh 3.16 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe - Mn Sự hấp phụ Mn(II) vật liệu oxit hệ Fe- Mn kích thƣớc nanomet, đƣợc mơ tả xác mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir với hệ số hồi qui 97,35% Dung lƣợng hấp phụ cực đại tính theo mơ hình Langmuir Mn(II) 140,19 mg/g 1.3 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả hấp phụ vật liệu 1.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH Nhƣ nêu pH yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất hấp phụ asen định đến dạng tồn asen dung dịch Trong nƣớc sinh hoạt pH có giá trị giới hạn khoảng 6,5 ÷ 8,5 nên khảo sát ảnh hƣởng pH khoảng từ 4,5 - đến hấp phụ asen Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất hấp phụ asen đƣợc bảng 3.13 Bảng 3.13: Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất hấp phụ asen tr ên oxit hệ Fe- Mn pH 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 Hiệu suất (H%) 60 80 92 86 70 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 52 Từ bảng 3.13 nhận thấy, pH tăng từ 4,5 đến 6,5 hiệu suất hấp phụ asen tăng dần, đƣợc giải thích khoảng pH = ÷ 6.5 asen tồn chủ yếu dạng anion H2AsO4-, HAsO42- pH tăng dần, dạng anion HAsO42- ngày tăng 1.3.2.Khảo sát ảnh hưởng có mặt cation NH4+, Mn2+ Fe3+ Kết nghiên cứu ảnh hƣởng cation NH4+, Mn2+ Fe3+ đến khả hấp phụ asen pH = đƣợc bảng 3.14 Bảng 3.14: Ảnh hƣởng cation đến hiệu suất hấp phụ (H%) As (V) [Fe3+](mg/l) H% [Mn2+](mg/l) H% [NH4+](mg/l) H% 75 75 75 80 73 72 7,5 85 7,5 70 7,5 50 10 95 10 65 10 45 Khi thay đổi nồng độ cation từ đến 10mg/l hiệu suất hấp phụ asen thay đổi Sự có mặt ion Fe3+ làm tăng hiệu suất hấp phụ As (V) từ 75% lên 95% có cộng kết ion Fe3+ với As(V) bề mặt vật liệu làm tăng khả hấp phụ 1.3.3.Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ Bảng 3.15 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến khả hấp phụ oxit hệ Fe- Mn Nhiệt độ (T) 10 20 30 40 Nồng độ ban đầu Ci (mg/l) 5 5 Nồng độ sau hấp phụ Cf(mg/l) 2,2 1,35 0,85 0,45 Dung lƣợng hấp phụ q(mg/g) 5,6 7,3 8,3 9,1 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 53 Từ kết bảng, sử dụng phƣơng trình: Co  C f  H S  LnKđ = , Kđ = Cf RT R Trong ΔH ΔS biến thiên entanpi entropi trình hấp phụ , T nhiệt độ Kenvin (K), R: Hằng số khí ( 8,314 j/mol.k) Nhiệt hấp phụ hệ Fe – Mn , Qhp = ΔH, từ hình 3.17 tính đƣợc nhiệt hấp phụ trình khảo sát 50,02 Kj/mol Kết cho thấy hấp phụ Asen có chất hố học lnKđ 2.5 y = -6.0166x + 21.484 R = 0.9987 1.5 0.5 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5 Hình 3.17 Biểu đồ phụ thuộc lnkđ vào Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.55 1/T 10-3 3 10 T http://www.lrc-tnu.edu.vn 54 Chƣơng 2: VẬT LIÊU OXIT HỖN HỢP HỆ Fe – Mn TRÊN CÁT THẠCH ANH 2.1 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu Vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe - Mn kích thƣớc nanomet hấp phụ kim loại nặng khả quan Tuy nhiên, để triển khai vào thực tiễn cần tìm kiếm chất mang thích hợp để phân tán oxit hỗn hợp Trong số chất mang cát thạch anh có ƣu điểm là: thành phần tinh khiết, cấu trúc bền vững, không bị biến dạng, chịu áp lực cao, bị mài mịn q trình sử dụng, kích thƣớc hạt đa dạng… đặc biệt giá thành thấp Do đó, chúng tơi chọn chất mang để phân tán oxit cát thạch anh, thiết bị hấp phụ tách asen, sắt, mangan amoni cần giải tốn cơng suất thích hợp chất lƣợng nƣớc sau xử lý hay nói cách khác kích thƣớc vật liệu đủ lớn để đảm bảo tốc độ dịng, khơng gây tắc nghẽn dịng chảy Cát thạch anh có kích thƣớc hạt 0,5 – mm thích hợp đƣợc lựa chọn Quy trình phân tán vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe - Mn cát thạch anh đƣợc tiến hành nhƣ sau: Hoà tan PVA vào nƣớc 800C đến tan hết tạo dung dịch suốt 800C Cho lƣợng muối mangan nitrat sắt nitrat vào dung dịch để tạo gel (Mn2+ + Fe3+) – PVA trì hỗn hợp pH = gia nhiệt 800C Cho lƣợng cát thạch anh vào khuấy liên tục Sau xử lý nhiệt 4500C thu đƣợc sản phẩm vật liệu oxit phức hợp hệ Fe - Mn/cát thạch anh Bảng 3.16: Kết xác định hàm lƣợng sắt, mangan cát thạch anh % [Fe + Mn] 1,0 2,0 3,0 4,0 %Fe 0,85 1,77 1,78 1,79 %Mn 0,09 0,18 0,18 0,19 Vật liệu oxit phức hợp hệ Fe- Mn trền cát thạch anh đƣợc xác định hàm lƣợng Fe – Mn phủ bề mặt Khi tăng hàm lƣợng mangan sắt tẩm từ 1% - 4% hàm lƣợng mangan, sắt phủ cát tăng, nhƣng tăng hàm lƣợng mangan, sắt tẩm từ 3% - 4% hàm lƣợng mangan, sắt phủ cát thạch anh hầu nhƣ khơng thay đổi Do chúng tơi chọn hàm lƣợng Fe – Mn tẩm 3% Thành phần pha vật liệu đƣợc hình 3.18 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 55 SiO2 Fe2O3 Hình 3.18 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen vật liệu oxit hỗn hợp 2.2.Đánh giá khả hấp phụ vật liệu oxit hệ Fe - Mn /CTA 2.2.1.Khảo sát hấp phụ As theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir * Hấp phụ As(III) Các thí nghiệm đƣợc tiến hành nhiệt độ phịng với thể tích dung dịch 100ml, nồng độ ban đầu asen thay đổi từ đến 100mg/l, khối lƣợng mẫu 1,00g dung dịch đƣợc giữ pH = 7.Thời gian khuấy 180 phút, Sau xác định nồng độ ion asen lại sau hấp phụ Kết thực nghiệm hấp phụ As(III) đƣợc đƣa bảng 3.17 hình 3.19 Bảng 3.17: Dung lƣợng hấp phụ As(III) vật liệu oxit hệ Fe-Mn/ CTA Nồng độ ban đầu Ci (mg/l) 10 20 30 40 50 80 100 Nồng độ lại Cf (mg/l) 0.25 2.15 7.45 14.35 22.95 32.25 61.15 81.05 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dung lƣợng hấp phụ q (mg/g) 0.08 0.79 1.26 1.57 1.71 1.78 1.89 1.90 http://www.lrc-tnu.edu.vn 56 Đ-ờng đẳng nhiệt hấp phô Langmuir r^2=0.97685638 DF Adj r^2=0.95949867 FitStdErr=0.11560999 Fstat=105.52115 Qmax = 1.8180985 mg/g b = 0.15734913 1.75 1.75 1.5 1.5 1.25 1.25 1 0.75 0.75 0.5 0.5 0.25 0.25 Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) Dung l-ỵng hÊp phô q (mg/g) 0 20 40 60 80 Nồng độ asen lại Cf (mg/l) Hỡnh 3.19 ng đẳng nhiệt hấp phụ As(III) oxit hệ Fe - Mn /CTA *Hấp phụ As(V) Thí nghiệm hấp phụ As(V) đƣợc tiến hành tƣơng tự nhƣ As(III) Kết đƣợc bảng 3.18 hình 3.20 Bảng 3.18:Dung lƣợng hấp phụ As(V) oxit hệ Fe - Mn / T.A Nồng độ ban đầu Ci (mg/l) 10 20 30 40 50 80 100 Nồng độ lại Cf (mg/l) 0.25 4.45 10.15 16.05 22.95 31.55 60.05 79.85 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dung lƣợng hấp phụ q (mg/g) 0.08 0.56 0.99 1.40 1.71 1.85 2.00 2.02 http://www.lrc-tnu.edu.vn 57 §-êng ®¼ng nhiƯt hÊp phơ Langmiur r^2=0.99711668 DF Adj r^2=0.99495419 FitStdErr=0.045661568 Fstat=864.55619 Qmax = 2.0409481 mg/g b = 0.07078249 2.5 2 1.5 1.5 1 0.5 0.5 0 20 40 Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) 2.5 80 60 Nång ®é asen (V) lại Cf (mg/l) Hỡnh 3.20 ng ng nhit hấp phụ As(V) ôxit hệ Fe - Mn /C TA Sự hấp phụ As(III) As(V) oxit hệ Fe - Mn/T.A phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir với hệ số hồi qui 97,68% As(III); 99,71 As(V) Dung lƣợng hấp phụ cực đại tính theo mơ hình Langmuir 1,81 mg/g As3+; 2,04 mg/g As5+ 2.2.2.khả hấp phụ amoni oxit hệ Fe – Mn / CTA Thí nghiệm đƣợc tiến hành vịng 90 phút, nồng độ amoni 1mg/l đến 80 mg/l, khối lƣợng mẫu 1g Kết đƣợc đƣa bảng 3.19 hình 3.21 Bảng 3.19 Dung lƣợng hấp phụ amoni oxit hệ Fe – Mn /TA Nồng độ amoni ban đầu Ci (mg/l) 10 20 30 40 50 80 Nồng độ amoni sau Cf(mg/l) 0.35 6.15 13.85 21.55 30.05 39.75 69.15 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dung lƣợng hấp phụ q (mg/g) 0.07 0.39 0.62 0.85 1.00 1.03 1.09 http://www.lrc-tnu.edu.vn 58 Đ-ờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir r^2=0.9947957 DF Adj r^2=0.9895914 FitStdErr=0.033638165 Fstat=382.29766 Qmax = 1.1189748 mg/g b = 0.062053651 1.25 1 0.75 0.75 0.5 0.5 0.25 0.25 dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) dung l-ỵng hÊp phô q (mg/g) 1.25 0 20 40 60 Nång độ amoni lại Cf (mg/l) Hỡnh 3.21 ng ng nhiệt hấp phụ amoni oxit hệ Fe – Mn/CTA Sự hấp phụ amoni vật liệu oxit hệ Fe – Mn /CTA phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số hồi qui 99,47 dung lƣợng hấp phụ cực đại 1,12 mg/g 2.2.3 Khảo sát khả hấp phụ sắt oxit hệ Fe – Mn/CTA Các thí nghiệm đƣợc tiến hành 1giờ, nồng độ sắt 1mg/l đến 200mg/l khối lƣợng mẫu 1g Kết đƣợc đƣa bảng 3.20 hình 3.22 Bảng 3.20 Dung lƣợng hấp phụ Fe(III) hệ Fe - Mn / CT.A Nồng độ Fe(III) ban đầu Ci (mg/l) 1.00 25.12 40.51 60.49 81.14 102.05 152.26 202.17 Nồng độ Fe(III) sau hấp phụ Cf (mg/l) 0.12 14.29 25.34 39.61 53.78 72.72 120.09 169.70 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dung lƣợng hấp phụ q (mg/g) 0.09 1.08 1.52 2.09 2.74 2.93 3.22 3.25 http://www.lrc-tnu.edu.vn 59 Đ-ờng đẳng nhiệt hấp phô Langmuir r^2=0.99190006 DF Adj r^2=0.98582511 FitStdErr=0.12130044 Fstat=306.14444 Qmax = 3.3588304 mg/g b = 0.026273561 3.5 3.5 2.5 2.5 2 1.5 1.5 1 0.5 Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) 0.5 0 50 100 150 Nồng độ sắt lại Cf (mg/l) Hỡnh 3.22 ng ng nhit hp phụ Fe(III) hệ Fe -Mn /C T.A Sự hấp phụ Fe(III) oxit hệ Mn – Fe/ CT.A đƣợc mơ tả xác mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir với hệ số hồi qui 99,19% Dung lƣợng hấp phụ cực đại tính theo mơ hình Langmuir Fe(III) 3,36 mg/g 2.2.4.Khảo sát khả hấp phụ mangan oxit hệ Fe – Mn /CTA Các thí nghiệm với 100ml dung dịch mangan nồng độ đến 150mg/l khối lƣợng mẫu 1g Kết đƣợc đƣa bảng 3.21 hình 3.23 Bảng 3.21 Dung lƣợng hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe – Mn/CTA Nồng độ ban đầu Ci (mg/l) Nồng độ lại Cf (mg/l) Dung lƣợng hấp phụ q (mg/g) 1.02 0.15 0.09 20.01 11.01 0.90 40.58 24.18 1.64 60.58 38.68 2.19 81.74 56.78 2.50 101.86 75.26 2.66 123.74 96.14 2.76 151.07 123.37 2.77 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 60 Đ-ờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir r^2=0.99871619 DF Adj r^2=0.99775334 FitStdErr=0.041958157 Fstat=1944.8331 Qmax = 2.842146 mg/g b = 0.035801095 2.5 2.5 2 1.5 1.5 1 0.5 0.5 0 25 50 75 100 Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) Dung l-ỵng hÊp phơ q (mg/g) 125 Nồng độ mangan lại Cf (mg/l) Hình 3.23 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe – Mn /CTA Sự hấp phụ Mn(II) oxit hệ Fe - Mn/ CTA đƣợc mô tả xác mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir với hệ số hồi qui 99,87% Dung lƣợng hấp phụ cực đại tính theo mơ hình Langmuir Mn(II) 2,842mg/g Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 61 KẾT LUẬN Từ kết thực nghiệm điều chế oxit hỗn hợp hệ Fe - Mn nghiên cứu ứng dụng xử lí asen, sắt, mangan amoni nƣớc sinh hoạt, rút số kết luận sau đây: - Bằng phƣơng pháp đốt cháy gel tổng hợp đƣợc oxit hỗn hợp Fe– Mn nhiệt độ 4500C kích thƣớc hạt cỡ 18nm, với diện tích bề mặt 68,5 m2/g - Đã khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến tạo pha oxit phức hợp hệ Fe – Mn nhƣ: nhiệt độ nung, pH, tỷ lệ mol (Mn2+ + Fe3+)/PVA, tỷ lệ mol Fe/Mn Đối với pha oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn, điều kiện thích hợp là: nhiệt độ nung 4500C, tỷ lệ mol Fe/Mn = 9:1 pH = 4, tỷ lệ mol (Mn2+ + Fe3+)/PVA = 1:3 - Đã ứng dụng oxit phức hợp hệ Fe – Mn (Fe/Mn = 9:1) có kích thƣớc nanomet để hấp phụ As(III), As(V), Fe(III) Mn(II) NH4+ pH = theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Dung lƣợng hấp phụ cực đại oxit phức hợp hệ Fe – Mn As(III) 51,06 mg/g, As(V) 57,71 mg/g, Fe(III) 143,11mg/g, Mn(II) 140,19mg/g, amoni 25,37 mg/g Khảo sát đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến khả hấp phụ vật liệu nhƣ : pH, nhiệt độ và các cation (Fe3+, Mn2+, NH4+) - Đã tổng hợp oxit phức hợp hệ Fe – Mn/cát thạch anh ứng dụng xử lí sắt, mangan, asen amoni Dung lƣợng hấp phụ cực đại tƣơng ứng As(III), As(V), Fe(III), Mn(II) NH4+ lần lƣợt là: 1,82mg/g, 2,04 mg/g,3,36mg/g, 2,84 mg/g, 1,12mg/g Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT Nguyễn Đình Bảng ( 2004), Các phương pháp xử lí nước, nước thải, Khoa Hoá học – Trƣờng Đại học KHTN - Đại học QGHN Lê Văn Cát ( 2002), Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lí nước nước thải, nhà xuất KHKT, Hà Nội Trần Hồng Côn, Vũ Văn Tú (2001),” Nghiên cứu loại asen khỏi nước cấp thành phố cách lợi dụng trình xử lý nước hành nhà máy nước”, Tuyển tập cơng trình khoa học Khoa Hóa học, trƣờng ĐHKHTN – ĐHQGHN, tr 228233 Trần Hồng Cơn, Hồng Văn Hà, Phạm Hùng Việt, Nguyễn Trọng Uyển (2001),” Nghiên cứu ứng dụng quặng sắt làm tác nhân hấp phụ loại bỏ an toàn asen khỏi nước sinh hoạt”, Tuyển tập cơng trình khoa học Khoa Hóa học trƣờng ĐHKHTN – ĐHQGHN Đặng Kim Chi (1998), Hố học mơi trường, NXB KHKT Hà Nội Lƣu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008),” Tổng hợp Mn2O3 kích thƣớc nanomet phƣơng pháp đốt cháy gel nhiệt độ thấp “, Tạp chí Hố học, T.46 (4), Tr 451-455 Lƣu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm ( 2009), “ Tổng hợp  Fe2O3 kích thƣớc nanomet phƣơng pháp đốt cháy gel sử dụng để hấp phụ asen”, Tuyển tập báo cao hội nghị xúc tác – hấp phụ toàn quốc lần thứ 5, Tr.213 – 216 Lƣu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008), ,” Tổng hợp MnO2 kích thƣớc nanomet phƣơng pháp đốt cháy gel nghiên cứu khả sử dụng MnO2 kích thƣớc nanomet để hấp phụ asenic “, Tạp chí Hố học, T.46 (2A), Tr 451-455 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 63 Lƣu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan ( 2009), “ Tổng hợp  -Fe2O3 kích thƣớc nanomet phƣơng pháp đốt cháy gel sử dụng để hấp phụ sắt, mangan,asen”, Tạp chí Hố học, T.47 (6A), Tr 260-264 10 Lƣu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn Thị Tố Loan, ( 2009), “ Nghiên cứu khả hấp phụ asen, sắt, mangan  -Fe2O3 kích thƣớc nanomet silicat”, Tạp chí Hố học, T 47( 6A), Tr.265 -268 11 Lƣu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Võ Quang Mai ( 2011),” Chế tạo vật liệu cát thạch anh phủ nano oxit  - MnO2  - Fe2O3 để hấp phụ Asen “, Tạp chí Hố học T.49 (3A), Tr 6- 10 12 Đinh Hải Hà ( 2010 ), Phương pháp phân tích tiêu mơi trường, nhà xuất Khoa học - Kĩ thuật, Hà Nội 13 Lƣu Đức Hải, Đỗ Văn Ái, Võ Công nghiệp, Trần Mạnh Liễu (2005), Chiến lược quản lí giảm thiểu tác động ô nhiễm Asen tới môi trường sức khoẻ người, tuyển tập hội thảo quốc tế “Ô nhiễm asen: Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ ngƣời giải pháp phòng ngừa”, Hà Nội 14 Nguyễn Đức Nghĩa ( 2007), Hố học nano – Cơng nghệ vật liệu nguồn, Nhà xuất KHTN CN Hà Nội 15 Bùi Văn Mật cộng sự, (2007) Xử lý amoni công nghệ vi sinh Công ti kinh doanh nƣớc Hà Nộ 16 Lê Văn Khoa (1995), Môi trường ô nhiễm, nhà xuất Giáo dục 17 Nguyễn Hữu Phú ( 1998), Các tạp chất thường gập nguồn nước, hội thảo quốc gia: Hố học cơng nghệ hố học chƣơng trình nƣớc vệ sinh mơi trƣờng, ban đạo quốc gia - Viện Hoá học 18 Nguyễn Hữu Phú ( 2003), Hố lí hố keo, nhà xuất KHKT, Hà Nội 19 Phan Văn Tƣờng (2004), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, Khoa Hoá học - trƣờng Đại học KHTN - Đại học QGHN 20 Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lí hố lí, Trƣờng Đại học KHTN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 64 21 Tiêu chuẩn vệ sinh nƣớc uống, Ban hành theo định trƣởng Bộ Y tế số 1329/2002/BYT/QĐ ngày 18/4/2002 22 Phan Văn Tƣờng (1998), Vật liệu vô cơ, ĐHKHTN _ ĐHQGHN 23 Ngụy Hữu Tâm( 2004), Công nghệ nano trạng, thách thức siêu ý tưởng , NXBKHKT, Hà Nội 24 Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Hội (1999), “ Giáo trình Hố học mơi truờng sở” Trƣờng Đại học KHTN TÀI LIỆU TIẾNG ANH 25 Altundoan, S.: Tymen, F.Bildik, M.(2002), “ Arsenic adsorption from aqueous solutions by activated red mud”, Waste Management 22,pp.357 -363 26 Arsenic contamination in Asia, A wold bank and water sanitation programe report, Mar 2005 27 B.Balamurugan, B.R Mehta (2001);” Optical and structural properties of nanocystalline copper oxide thin fimls prepared by actived reactive evaporation “, thin solid films, Vol.396,pp.90-96 28 Bingjie Liu, Dongfeng Wang, Haiyan Li, Ying Xu, Li Zhang (2011) “ As (III) removal from aqueous solution using  -Fe2O3 impregnated chitosan beads with As(III) as imprinted ions “, Desalination 272, pp 286 – 292 29.C.Meldrum et al (1991), “ synthesis of inorganic nanophase materials in supramolecular protein cages “, Natrure, vol 394,pp.684 – 687 30.Dinest mohan, Charles U Pittman Jr (2007),”Review arsenic removal from water, waste water using adsortbents – critical review”, J Hazard Mater 2007.01.006 31 Daus, R.Wennrich, H Weiss (2004),” Sorption materials for arsenic removal from water: a comparative study”, Water Res 38(12), pp.2948 – 2954, 32 Monica popa, Jose M Calderon Moreno (2011), Lanthanium Ferrite Ferromagenic nanocrystallites by a polimeric procursor route, Bucharest, Romani 33 Mcgraw –hill (1997), encyclopedia of science and techology, 8th edition Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 65 34 M.Peter ( 2005),” Ion exchange An over view of tecnologies useful for arsenic removal “, Vetrapure water, 22(5), pp 42 -43 35 J.C Miller (2005), the handbook of nanotechology, wiley VCH, pp.26 36 K.J Klabunde (1994), Free Atoms, Clusters and nanoparticles, Academic press, san Diego 37 E.M Lucas and K.J Klabunde ( 1999),” Nanocrystyls as destructive absorbants for mincs of chhemical warfare agents “, nanostrustured materials,Vol 12,pp.1 38 Lucy M Camacho, Ramona R parra, Shuguang Deng (2011), “ Arsenic removal from ground water by MnO2 – Modified natural clinoptilolite zeolite: Effects of pH and initial feed concentration “, Journal of Hazardous Materials 189, pp.286 -293 39 Kim, M.J and Nriagn,(2000),” Oxidation of arsenic in ground using ozone and oxygen”, Science of the total environment, 247,pp.71-79 40 M.Bissen,F.H Frimmel, Arsenic areview Part II (2003),” Oxidation of arsenic and its removal in water treatment :, Acta hydrochim Hydrobiol 31(2), pp.97 -107 41 Wei Xu, Hongjie Wang, Ruiping Lui, Xu Zhao Qu (2011), “ Arsenic release from arsenic – bearing Fe – Mn binary oxide: Effects of Eh condition “, Chemosphere 83,pp.1020 – 1027 42 Jiansheng Feng, Ting Liu, Yebinn Xu, Jingyuan Zhao, Yanyan He (2011), Effect of PVA content on the synthesis of LaFeO3 via sol – gel route, Wu Han Chi na 43 R Smalley (1992), Congressional Hearing, sol Energy Mater Sol Cells, Vol 27, pp.361-370 44 Kanaparthi Ramesh, Luwei Chen, Ziyi Zhong, Jianhau Chin, Hongwai Mook, Yi Fan Han (2007), “ Preparation and characterization of coral like nanostructured  -Mn2O3 catalyst for catalytic combustion methane”, Catalysis Communications, 8,pp.1421 – 1426 45 Yun Fan, Fu Shen Zhang, Yinan Feng (2008),” An effective adsorbent developed from municipal solid waste and co – combustion ash for As(v) removal from aqueous solution “, Journal of Hazardous Materials, 159,pp.313 -318 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... chất hấp phụ chất bị hấp phụ 1.2.4.3 Cân hấp phụ tải trọng hấp phụ Cân hấp phụ: Quá trình chất khí chất lỏng hấp phụ bề mặt chất hấp phụ trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ hấp phụ. .. QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chƣơng 1: VẬT LIỆU OXIT HỖN HỢP HỆ Fe - Mn 1.1 Tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe- Mn kích thƣớc nanomet Phƣơng pháp lựa chọn để tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe-Mn kích. .. từ hỗn hợp lỏng khí hấp phụ bề mặt chất rắn , xốp Chất hấp phụ: Chất có bề mặt xẩy hấp phụ Chất bị hấp phụ: Chất đƣợc tích lũy bề mặt chất hấp phụ Quá trình giải hấp trình đẩy chất bị hấp phụ