Vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15 được tổng hợp từ các nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có trong nước giá thành thấp. SBA-15 được ứng dụng để nghiên cứu quá trình hấp phụ ion Th(IV) trong nước. Ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ, mô hình hấp phụ đã được nghiên cứu và thảo luận.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ION Th (IV) TRÊN VẬT LIỆU SILICA MAO QUẢN TRUNG BÌNH SBA-15 Vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15 tổng hợp từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có nước giá thành thấp SBA-15 ứng dụng để nghiên cứu trình hấp phụ ion Th(IV) nước Ảnh hưởng pH, thời gian hấp phụ, mơ hình hấp phụ nghiên cứu thảo luận Kết cho thấy, trình hấp phụ phụ thuộc vào pH dung dịch, vật liệu SBA-15 có khả hấp phụ tốt ion Th (IV) dung dịch, động học hấp phụ tuân theo phương trình động học biểu kiến bậc 2, dung lượng hấp phụ cực đại đạt 116,3 mg/g q trình hấp phụ mơ tả theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir MỞ ĐẦU nghiên cứu rộng rãi Trong đó, việc lựa chọn vật liệu hấp phụ có hiệu cao, giá thành thấp nhận quan tâm nhiều nhà khoa học Trong nghiên cứu này, trình hấp phụ ion Th(IV) nước vật liệu SBA15 tổng hợp từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền nước nghiên cứu Các nghiên cứu ảnh hưởng thời gian tiếp xúc pha, pH mơ hình hấp phụ ion Th dung dịch tiến hành Vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15 tổng hợp từ oxit silic oxit nhơm, SBA-15 có đường kính mao quản từ – 10nm, có vi mao quản liên kết mao quản trung bình thành tường mao quản dày nên bền thủy nhiệt Diện tích bề mặt lớn từ 400 – 900 m2/g nên SBA15 linh hoạt ứng dụng nhiều lĩnh vực xúc tác xử lý môi trường Trên giới, vật liệu mao quản trung bình thường tổng hợp từ TEOS nhiên giá thành cao nên cần nghiên cứu tìm loại vật liệu silica thay THỰC NGHIỆM Trong nghiên cứu này, thủy tinh lỏng (Na2SiO3) axit sulfuric (H2SO4) đậm đặc sử 2.1 Hóa chất sử dụng dụng để tổng hợp SBA-15 Pluronic (P123) EO20PO70EO20, thủy tinh lỏng Quá trình khai thác chế biến quặng phóng xạ (Na2SiO3) Việt Nam, dung dịch H2SO4 98%, muối quặng sa khoáng ven biển phát triển Th(NO3)4, dung dịch HNO3 0,01 mol/l, NaOH, Việt Nam Song song với phát triển nước cất vấn đề đảm bảo an tồn mơi trường phóng xạ, đặc biệt nước thải nhiễm nguyên tố phóng xạ (U, Th, Ra, …) không xử lý đạt tiêu chuẩn thải môi trường vấn đề nghiêm trọng, gây ô nhiễm môi trường đất, nước đời sống động thực vật, người thời gian dài Trong năm gần, ion Th (IV) xử lý trình hấp phụ vật liệu khác 2.2 Tổng hợp vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15 Cân 8g chất hoạt động bề mặt Pluronic P123 cho hòa tan 380 ml nước cất, cho vào cốc thủy tinh 1000 ml khuấy 35 - 40oC bếp từ vòng 2h, tốc độ khuấy 500v/p tạo dung dịch suốt (A) Cân 37g thủy tinh lỏng (28,8% SiO2, 3,2% Na2O) thêm vào A máy Số 66 - Tháng 03/2021 37 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN khuấy từ nhiệt độ phòng Hỗn hợp giữ khuấy – tạo dung dịch đồng Đổ nhanh 10 ml axit sulfuric đậm đặc (98%) vào khuấy mạnh vịng 1h, sau hỗn hợp chuyển sang bình cầu thủy tinh có ống hồi lưu đưa vào lị vi sóng để kết tinh Hỗn hợp sau già hóa tủ sấy 800C 20 giờ, sau để nguội lọc, rửa phần rắn thu pH = sấy 800C qua đêm, nung không khí 5500C thu sản phẩm SBA-15 hành loạt thí nghiệm theo mẻ với điều kiện sau: nồng độ ion Th(IV) ban đầu = 100 mg/l, pH = 4, lượng chất hấp phụ sử dụng = mg, thời gian tiếp xúc pha (lấy mẫu) sau 15 phút, 30 phút, 60 phút, 120 phút, 240 phút, 480 phút hình 2.3 Thí nghiệm hấp phụ Dung dịch thori pha từ muối thori nitrat (Th(NO3)4) nước cất Các thí nghiệm tiến hành theo mẻ nhiệt độ phòng máy lắc ngang IKA HS 260 basic tốc độ 120 vịng/phút Trong thí nghiệm hấp phụ: 5mg vật liệu hấp phụ (SBA-15) thêm vào bình nón chứa 50ml dung dịch ion Th (IV) với nồng độ pha sẵn Khi trình hấp phụ đạt cân bằng, lọc giấy lọc băng xanh tách pha rắn – lỏng Dung dịch thu phân tích nồng độ thori cịn lại phương pháp trắc quang so màu với arsenazo III bước sóng 655nm phân tích ICP-OES - Dung lượng thời điểm t: qt = (C0 - Ct).V/m (mg/g) Hình Đồ thị ảnh hưởng thời gian tiếp xúc pha đến nồng độ cân ion Th(IV) dung dịch Kết cho thấy, trình hấp phụ ion Th(IV) vật liệu SBA-15 diễn tương đối nhanh Sau 60 phút trình hấp phụ đạt bão hòa, nồng độ cân ion Th(IV) dung dịch gần không thay đổi Dựa vào đó, chọn 60 phút thời gian hấp phụ ion Th(IV) dung dịch đạt cân để tiếp tục nghiên cứu thí nghiệm 3.2 Ảnh hưởng pH dung dịch - Dung lượng cân bằng: qe = (C0 - Ce).V/m (mg/g) Trong đó: C0: nồng độ ion Th(IV) ban đầu (mg/l), Ct: nồng độ ion Th(IV) thời điểm t (mg/l), m: lượng vật liệu hấp phụ SBA-15 sử dụng (g), V: thể tích dung dịch (ml) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ Để xác định thời gian hấp phụ đạt cân bằng, tiến 38 Số 66 - Tháng 03/2021 Hình Đồ thị ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ ion Th(IV) dung dịch pH dung dịch ảnh hưởng đến trạng thái tồn ion Th(IV) dung dịch vị trí gắn ion kim loại bề mặt Ảnh hưởng THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN pH đầu đến trình hấp phụ nghiên cứu dải pH dung dịch từ đến 6, thời gian hấp phụ 60 phút, nồng độ đầu 10 mg/l, lượng chất hấp phụ mg (hình 2), pH dung dịch điều chỉnh dung dịch NaOH loãng Đồ thị hình cho thấy, pH dung dịch tăng từ đến hiệu suất hấp phụ Th(IV) dung dịch tăng nhanh đến đạt cực đại (99%), tiếp tục tăng pH >4 hiệu suất khơng thay đổi Dựa vào giảm đồ trạng thái tồn ion Th(IV) nước (hình – phụ lục) nhận xét vật liệu SBA-15 hấp phụ tốt ion Th(IV) trạng thái [Th(OH)]3+ [Th(OH)2]2+, pH > ion Th(IV) có xu hướng kết tủa dung dịch dạng [Th(OH)4], pH thấp (2 – 3) hiệu suất hấp thụ thấp mơi trường axit có cạnh tranh ion H+ dư thừa dung dịch với ion Th(IV) Từ đồ thị thấy pH = giá trị pH tối ưu trình hấp phụ ion Th(IV) dung dịch Hình Đồ thị quan hệ Co qe trình hấp phụ ion Th(IV) dung dịch Đẳng nhiệt hấp phụ mô tả phân bố chất hấp phụ pha lỏng thời điểm cân Hai mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ phổ biến Langmuir Freundlich Dạng cơng thức tốn học mơ hình Langmuir là: Kết cho phép chọn giá trị pH đầu = giá trị Trong đó: qe (mg/g) dung lượng hấp phụ thời pH tối ưu để tiếp tục nghiên cứu thí nghiệm điểm cân bằng, qmax (mg/g) dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu, KL (l/mg) số đặc khác trưng cho lực tương tác chất hấp phụ chất 3.3 Nghiên cứu mơ hình hấp phụ ion Th(IV) bị hấp phụ nhiệt độ xác định nước Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich mơ tả q trình Nghiên cứu mơ hình hấp phụ cho kết hấp phụ đa lớp, số hóa phương trình: hàm nồng độ với nồng độ đầu dao động từ 10 – 150 mg/l, pH = 4, thời gian hấp phụ 60 phút lượng vật liệu mg, (hình 3) Có thể dễ KF n số Freundlich đặc trưng cho dàng nhận thấy rằng, dung lượng hấp phụ tăng dung lượng cường độ hấp phụ tăng nồng độ ban đầu từ 10mg/l đến 70 mg/l nồng độ ion Th(IV) thấp, ion nhanh Bảng Các tham số đẳng nhiệt Langmuir chóng hấp phụ tâm hấp phụ trống trình hấp phụ ion Th(IV) SBA-15 298K bề mặt vật liệu SBA-15, nhiên tiếp tục tăng nồng độ đầu lên 70 mg/l 150 mg/l hầu hết tâm hấp phụ trống bị chiếm giữ dẫn đến dung lượng cân thay đổi gần không Bảng Các tham số đẳng nhiệt Freundlich đáng kể Điều cho thấy trình hấp phụ trình hấp phụ ion Th(IV) SBA-15 298K đạt đến trạng thái cân bằng, vật liệu SBA-15 hấp phụ bão hòa ion Th(IV) Số 66 - Tháng 03/2021 39 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Từ số liệu thu trên, xây dựng phương KẾT LUẬN trình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich ta Nghiên cứu rằng, SBA-15 vật liệu kết bảng bảng hấp phụ hiệu ion Th(IV) nước, Từ bảng bảng cho thấy, trình hấp phụ điều kiện tối ưu là: nồng độ dung dịch ban đầu ion Th(IV) vật liệu SBA-15 tuân theo mô 70 mg/l, pH = 4, thời gian hấp phụ 60 phút với hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (R2 = 0,991) lượng vật liệu hấp phụ mg điều kiện tốt so với mơ hình Freundlich (R2 = 0,836) nhiệt độ phòng (250C) Giá trị hấp phụ cực đại đạt 116,3 mg/g Trong mơ hình đẳng nhiệt áp dụng để nghiên Từ kết nghiên cứu ảnh hưởng thời gian hấp cứu, mơ hình đẳng nhiệt Langmuir cho thấy phụ, nghiên cứu động học trình hấp phụ mơ hình phù hợp phản ánh trình hấp thori vật liệu SBA-15 (hình 4) phụ Điều chứng tỏ bề mặt vật liệu hấp phụ đồng trình hấp phụ đơn lớp Dung lượng hấp phụ tối đa vật liệu SBA-15 theo mơ hình Langmuir điều kiện tối ưu 116,3 mg/g Nguyễn Văn Chính, Vương Hữu Anh, Lưu Cao Ngun, Dương Đình Thơ Viện Cơng nghệ xạ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.M Holmes, V.L Zholobenko, A Thursfield, R.J Plaisted, C.S Cundy, J Dwyer, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 94 (1998) 2025–2032 Hình Động học hấp phụ biểu kiến bậc (a) bậc (b) hấp phụ thori SBA-15 [2] A Sousa, K.C Souza, S.C Reis, R.G Sousa, D Windmoller, J.C Machado, E.M.B Sousa, Journal of Non-Crystalline Solids 354 (2008) 4800–4805 Từ hình thấy, q trình hấp phụ thori [3] L.W Ji, W.S Shih, T.H Fang, C.Z Wu, S.M SBA-15 tn theo mơ hình động học biểu Peng, H Meen, Journal of Materials Science 45 kiến bậc (R2 = 0,9995) Các tham số mơ hình (2010) 3266–3269 cho bảng [4] P Topka, H Balcar, J Rathousky, N Zilkova, F Bảng Các tham số phương trình động Verpoort, J Cejka, Microporous and Mesoporous học biểu kiến bậc hấp phụ Th(IV) SBA-15 Materials 96 (2006) 44–54 [5] P Sharma, R Tamar, Synthesis and application of an analogue of desolate for the removal of uranium(VI), thorium(IV), and europium(III) 40 Số 66 - Tháng 03/2021 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN from aqueous waste, Microspor Mesopor Mater 116 (2008) 641–652 [6] Q Fana, P Li, Y Chena, W Wu, Preparation and application of attapulgite/iron oxide magnetic composites for the removal of U(VI) from aqueous solution, J Hazard Mater 192 (2011) 1851–1859 [7] X Tan, X Wang, M Fang, C Chen, Sorption and desorption of Th(IV) on nanoparticles of anatase studied by batch and spectroscopy methods, Colloids Surf 296 (2007) 109–116 [8]Liu Y, Li Q, Cao X, Wang Y, Jiang X, Li M, etal Removal of uranium (VI) from aqueous solutions by CMK-3 and its polymer composite Appl Surf Sci 2013; 285:258–66 [9]Sharma P, Tomar R Synthesis and application of ananalogue of mesolite for the removal of uranium (VI), thorium (IV), and europium (III) from aqueous waste Microporous Mesoporous Mater 2008; 116:641–52 [10]Abbasizadeh S, Keshtkar AR, Mousavian MA Preparation of a novel electrospun polyvinyl alcohol/ titanium oxide nanofiber adsorbent modified with mercapto groups for uranium (VI) and thorium (IV) removal from aqueous solution Chem Eng J 2013;220:161–71 Số 66 - Tháng 03/2021 41 ... – phụ lục) nhận xét vật liệu SBA-15 hấp phụ tốt ion Th( IV) trạng th? ?i [Th( OH)]3+ [Th( OH)2]2+, pH > ion Th( IV) có xu hướng kết tủa dung dịch dạng [Th( OH)4], pH th? ??p (2 – 3) hiệu suất hấp th? ?? th? ??p... tranh ion H+ dư th? ??a dung dịch với ion Th( IV) Từ đồ th? ?? th? ??y pH = giá trị pH tối ưu trình hấp phụ ion Th( IV) dung dịch Hình Đồ th? ?? quan hệ Co qe trình hấp phụ ion Th( IV) dung dịch Đẳng nhiệt hấp phụ. .. trình hấp phụ mơ hình phù hợp phản ánh trình hấp thori vật liệu SBA-15 (hình 4) phụ Điều chứng tỏ bề mặt vật liệu hấp phụ đồng trình hấp phụ đơn lớp Dung lượng hấp phụ tối đa vật liệu SBA-15 theo