Luận án tiến sĩ nghiên cứu biến tính quặng laterit bằng la2o3 và ceo2 để xử lý asen và photphat trong môi trường

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS TS Đỗ Quang Trung PGS.TS Đào Ngọc Nhiệm tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận án Em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, Viện Công nghệ kỹ thuật môi trường Học viện Khoa học Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi cho em trình thực luận án Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, lãnh đạo khoa Cơ – Điện, lãnh đạo Khoa Kỹ thuật tài ngun nước tồn thể thầy đồng nghiệp Trường Cao đẳng thủy lợi Bắc Bộ tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận án Xin chân thành cảm ơn anh, chị em bạn đồng nghiệp phịng Vật liệu vơ Cơ – Viện Khoa học vật liệu, Công nghệ iện àn lâm khoa học iệt Nam tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình thực luận án Nhân dịp này, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới gia đình, cổ vũ, động viên giúp đỡ em hoàn thành luận án TÁC GIẢ LUẬN ÁN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Đỗ Quang Trung PGS.TS Đào Ngọc Nhiệm, số liệu trích dẫn có nguồn gốc, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT QCVN Quy chuẩn Việt Nam BYT Bộ y tế WHO Tố chức y tế giới HVKH&CNVN Học Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam KHTN Khoa học tự nhiên ĐHQG Đại học Quốc gia Hà Nội i KL ại PVA PolyVinyl Ancol BET Brunauer-Emmett-Teller (Tên riêng ba nhà khoa học) SBET Diện tích bề mặt BET DTA Differential Thermal Analysis: Phân tích nhiệt vi sai FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier SEM Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua TGA Thermal Gravity Analysis: Phân tích nhiệt trọng ượng XRD X-ray Diffraction: Nhiễu xạ tia X AAS At ic Abs rpti n Spectr ph t etric: Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử Qmax Dung ượng hấp phụ cực đại đơn ớp HĐBM H ạt động bề t detected: h ng giới hạn nd qan t ặt n Dung ượng an t n qcột Dung ượng hấp phụ tr n cột H Hiệu suất hấp phụ C0 ồng độ ban đ u Cf ồng độ sau hấp phụ  h i gian uất PZC TG AOT P int f er Charge: Điể ác gi Chất hoạt động bề mặt điện t ch h ng ỤC ỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 Ô nhiễm asen photphat nước ngầm .3 n m sen on n ớc ăn nồn 1.1.2 Sự C c p n p ộp op on n ớc ngầm p xử lý sen p o p on n ớc 1.2 Vật liệu hấp phụ xử l asen photphat nước 12 1.2.1 Vật liệu h p phụ từ tự nhiên 12 1.2.2 Vật liệu h p phụ chứa lantan 15 1.2.3 Vật liệu h p phụ chứa xeri .17 1.3 Phương pháp t ng hợp vật liệu nano 20 1.3 n p p ồng kết tủa 20 3.2 n p p ủy nhiệt 21 3.3 n p p m xen 22 3.4 n p p sol – gel 22 1.4 Tiền chất gelatin 25 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, THỰC NGHIỆM 28 2.1 Hóa chất, vật liệu thiết bị nghiên cứu 28 2.2 Chế tạo vật liệu 31 2.2.1 Chế tạo vật liệu nano La2O3, nano CeO2, nano La2O3-CeO2 .31 2.2.2 Biến tính vật liệu nano La2O3-CeO2 laterit .32 2.3 Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu .33 2.3 n p p p ân íc n ệt [92] 33 2.3.2 n p pn u xạ tia X-ray [93] 34 2.3.3 Ph tán xạ năn l ng tia X [92] 34 2.3.4 n p p kín ển v 2.3.5 n p pp hồng ngoại (FT-IR) [92] 35 2.3.6 n p pp tán xạ Raman [92] 36 2.3.7 n p p x c ịnh diện tích bề mặt vật liệu BET 36 2.3.8 n p p x c ịn ện tử [92] 35 ểm ẳn ện vật liệu 36 2.4 Khảo sát khả hấp phụ asen, photphat vật liệu chế tạo .37 2.4.1 Khảo sát khả năn p phụ photphat .37 2.4.2 Khảo sát khả năn p phụ asen 38 2.5 Phương pháp phân t ch asen, photphat kim loại dung dịch 38 2.5 n p pp 2.5.2 n p p so mà x c ịn 2.5.3 n p p p ân íc n CHƢƠNG 3: h p phụ nguyên tử x c ịn T àm l y n ố TH àm l ng asen (AAS) [94] 38 ng photphat [93] 38 t [94] 39 N 40 3.1 T ng hợp vật liệu nano La2O3 đánh giá khả hấp phụ photphat asen 40 3.1.1 T ng h p vật liệu nano La2O3 40 3.1.2 Nghiên cứu khả năn p phụ photphat asen vật liệu nano La2O3 44 3.2 T ng hợp vật liệu nano CeO2 đánh giá khả hấp phụ photphat, asen 50 3.2.1 T ng h p vật liệu nano CeO2 50 3.2.2 Nghiên cứu khả năn p phụ photphat asen vật liệu nano CeO2 54 3.3 T ng hợp vật liệu nano La2O3-CeO2 đánh giá khả hấp phụ asen, phophat 60 3.3.1 T ng h p vật liệu nano La2O3-CeO2 60 3.3.2 Đặc tính vật liệu nano La2O3-CeO3 h p phụ photphat asen 66 3.3.3 Kết h p phụ photphat asen vật liệu nano La2O3-CeO2 .72 3.4 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano La2O3-CeO2 chất mang laterit ứng dụng hấp phụ photphat asen nước 82 3.4.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano La2O3-CeO2 ch t mang laterit 82 3.4.2 Kết n k ả năn p phụ ĩn sen p o p n vật liệu nano La2O3-CeO2/laterit .86 3.4.3 Nghiên cứu khả năn p phụ ộng vật liệu nano La2O3-CeO2/laterit với asen photphat .87 3.4.4 Nghiên cứu khả năn sử dụng vật liệu nano La2O3-CeO2/Laterit .89 3.5 Nghiên cứu xử lý mẫu thực tế mơ hình thí nghiệm Phủ Lý - Hà Nam 90 K T LU N 93 NH NG Đ NG G P I CỦ N ÁN .95 MỤC HÌNH H nh 1.1 Đồ thị Eh-pH dạng tồn asen nước 25 oC áp suất bar [2] H nh 1.2 T nh h nh nhiễm asen Hà Nội (Hong Con Tran, et al 2001 H nh 1.3 Sơ đồ khối phương pháp sol – gel 23 Hình 2.1 Thiết bị thủy tinh khảo sát khả hấp phụ asen, photphat 29 Hình 2.2 Mơ hình thiết bị chứa vật liệu hấp phụ mơ hình thí nghiệm 29 Hình 2.3 Hình ảnh hệ thống xử l nước ngầm phịng thí nghiệm 30 H nh 2.4 Sơ đồ t ng hợp vật liệu nano La2O3, CeO2 La2O3-CeO2 .32 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt DTA TGA mẫu gel La(NO3)3/gelatin 40 Hình 3.2 Giản đồ XRD gel La(NO3)3-gelatin nung nhiệt độ khác 41 Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu vật liệu nano La2O3 chế tạo pH khác 41 Hình 3.4 Giản đồ XRD vật liệu nano La2O3 chế tạo nhiệt độ tạo gel khác 42 H nh 3.5 Ảnh TEM mẫu vật liệu nano La2O3 43 Hình 3.6 Giá trị pHpzc vật liệu nano La2O3 43 Hình 3.7 Thời gian cân hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3 44 Hình 3.8 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3 45 H nh 3.9 Đường đẳng nhiệt hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3 46 Hình 3.10 Ph FT-IR vật liệu nano La2O3 a trước hấp phụ; b) sau hấp phụ photphat .47 Hình 3.11 Nồng độ asen cịn lại theo thời gian 48 Hình 3.12 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen 48 H nh 3.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen vật liệu nano La2O3 .49 Hình 3.15 Giản đồ XRD mẫu gel Ce(NO3)4 nung nhiệt độ khác .51 Hình 3.16 Giản đồ XRD mẫu vật liệu CeO2 giá trị pH khác .51 Hình 3.17 Giản đồ XRD mẫu tạo gel vật liệu nano CeO2 nhiệt độ khác 52 H nh 3.18 Ảnh TEM mẫu vật liệu nano CeO2 53 Hình 3.19 Giá trị pHpzc vật liệu nano CeO2 .53 Hình 3.20 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ photphat vật liệu nano CeO2 55 H nh 3.21 Đường đẳng nhiệt hấp phụ photphat vật liệu nano CeO2 56 Hình 3.22 Ph FT-IR vật liệu nano CeO2 a trước hấp phụ photphat; b) sau hấp phụ photphat 57 Hình 3.23 Nồng độ asen cịn lại sau phản ứng theo thời gian 58 Hình 3.24 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen 58 H nh 3.25 Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen vật liệu nano CeO2 .60 Hình 3.26 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel La(NO3)3-Ce(NO3)4/gelatin 60 Hình 3.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu gel La(NO3)3-Ce(NO3)4/Gelatin nung nhiệt độ khác 61 H nh 3.28 Giản đồ RD mẫu gel (La2O3-CeO2 nhiệt độ khác 62 H nh 3.29 Giản đồ RD mẫu vật liệu nano La2O3-CeO2 chế tạo pH khác 63 Hình 3.30 Giản đồ XRD tỉ lệ kim loại (La2O3-CeO2 /gelatin chế tạo tỉ lệ khác 64 H nh 3.31 Ảnh TEM mẫu vật liệu nano La2O3-CeO2 .65 Hình 3.32 Giá trị pHpzc vật liệu nano La2O3-CeO2 66 Hình 3.33 Ph tán xạ tia X (EDS) vật liệu nano La2O3-CeO2 a trước b) sau hấp phụ photphat 67 Hình 3.34 Ph chồng FTIR vật liệu nano La2O3-CeO2.a trước hấp phụ; b) sau hấp phụ photphat .68 Hình 3.35 Ph Raman vật liệu nano La2O3-CeO2 a trước hấp phụ; b) sau hấp phụ photphat 68 Hình 3.36 Ph EDX vật liệu nano La2O3-CeO2 a trước hấp phụ; b) sau hấp phụ asen .69 Hình 3.37 Ph FT-IR mẫu vật liệu nano (La3+-Ce4+ /gelatin b trước hấp phụ Asen, a) sau hấp phụ asen 70 Hình 3.38 Ph Raman vật liệu nano La2O3-CeO2 a trước hấp phụ; b) sau hấp phụ asen .71 H nh 3.40 Đường đẳng nhiệt hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO2 73 H nh 3.41 a Đồ thị động học bậc biểu kiến; b Đồ thị động học bậc biểu kiến hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO2 .76 Hình 3.42 Nồng độ asen lại sau phản ứng 77 Hình 3.43 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen 78 H nh 3.44 Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen vật liệu nano La2O3-CeO2 .79 H nh 3.45 a Đồ thị động học bậc biểu kiến; b Đồ thị động học bậc biểu kiến hấp phụ asen vật liệu nano La2O3-CeO2 81 Hình 3.46 Ảnh SEM vật liệu laterit trước sau biến tính; a) Laterit b) ảnh vật liệu nano La2O3-CeO2/laterit c) ảnh TEM vật liệu nano La2O3-CeO2/laterit 85 Hinh 3.47 Dung lượng hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO2 biến tính laterit 86 Hình 3.48 Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen vật liệu nano La2O3-CeO2/laterit .86 Hình 3.49 kết phân tích nồng độ asen đầu chạy hệ thống xử lý .92 MỤC B NG Bảng 1.1 Thành phần, hàm lượng laterit số địa phương 51] .13 Bảng 1.2 Một số oxit nano t ng hợp phương pháp đồng kết tủa 21 Bảng 1.3 Một số vật liệu điều chế phương pháp thu nhiệt [83] 21 Bảng 1.4 Vật liệu chế tạo phương pháp mixen đảo 22 Bảng 2.1 Thành phần quặng laterit lựa chọn nghiên cứu 28 Bảng 3.1 Bảng t ng hợp thông số chế tạo đặc trưng vật liệu La2O3 44 Bảng 3.2 Số sóng đặc trưng cho giao động nhóm chức 47 Bảng 3.3 Bảng t ng hợp thông số chế tạo đặc trưng vật liệu CeO2 54 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian cân hấp phụ photphat 54 Bảng 3.5 Bảng t ng hợp thông số chế tạo vật liệu La2O3-CeO2 66 Bảng 3.6 Thành phần hóa học vật liệu nano La2O3-CeO2 trước sau hấp phụ photphat .67 Bảng 3.7 Thành phần hóa học vật liệu nano La2O3-CeO2 trước sau hấp phụ asen 69 Bảng 3.8 Số sóng đặc trưng cho dao động nhóm chức 70 Bảng 3.9 Ảnh hưởng thời gian cân hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO2 .72 Bảng 3.10 Ảnh hưởng Fe(III), Mn(II), SO42-, Cl- đến khả hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO 74 Bảng 3.11 Một số tham số phương tr nh động học bậc biểu kiến hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO2 76 Bảng 3.12 Một số tham số phương tr nh động học bậc hai biểu kiến hấp phụ photphat vật liệu nano La2O3-CeO2 76 Bảng 3.13 Ảnh hưởng Fe(III), Mn(II), SO42-, Cl- đến khả hấp phụ asen vật liệu nano La2O3-CeO2 80 Bảng 3.14 Một số tham số phương tr nh động học bậc biểu kiến hấp phụ asen vật liệu nano La2O3-CeO2 82 Bảng 3.15 Một số tham số phương tr nh động học bậc hai biểu kiến hấp phụ asen vật liệu nano La2O3-CeO2 82 ... liệu xử lý ô nhiễm asen, photphat nước tiến hành nghiên cứu luận án "Nghiên cứu biến tính quặng Laterit La2O3 CeO2 để xử lý Asen Photphat môi trường nước” luận án thực với nội dung ch nh: - Nghiên. .. asen, photphat vật vật liệu nano La2O3, nano CeO2, nano La2O3- CeO2 vật liệu nano La2O3- CeO2 laterit - Thử nghiệm khả xử lý asen photphat mẫu nước ngầm Phủ Lý Hà Nam vật liệu nano La2O3- CeO2 /laterit. .. chọn để nghiên cứu xử lý asen photphat nước 1.2 Vật liệu hấp phụ xử lý asen photphat nƣớc 1.2.1 Vật liệu hấp phụ từ tự nhiên Từ lâu người nghiên cứu sử dụng khoáng tự làm vật liệu xử lý hấp phụ asen,