Tổng hợp oxit mn2o3 cấp hạt nano bằng phương pháp đốt cháy gel, thử khả năng hấp phụ ion pb2+ trong môi trường nước

Trờng đại học vinh KHOA HOá HọC === === nguyễn thị lệ thủy TNG HP OXIT Mn 2 O 3 CP HT NANO BNG PHNG PHP T CHY GEL, TH KH NNG HP PH ION Pb 2+ TRONG MễI TRNG NC KHóA LUậN TốT NGHIệP ĐạI HọC Chuyên ngành: HóA VÔ CƠ Nghệ An, 2012 1 Trờng đại học vinh KHOA HOá HọC === === TNG HP OXIT Mn 2 O 3 CP HT NANO BNG PHNG PHP T CHY GEL, TH KH NNG HP PH ION Pb 2+ TRONG MễI TRNG NC KHóA LUậN TốT NGHIệP ĐạI HọC Chuyên ngành: HóA VÔ CƠ Giáo viên hớng dẫn: thS. PHAN THị MINH HUYềN Sinh viên thực hiện: NGUYễN THị Lệ THủY Lớp: 49A - Hoá MSSV: 0852010407 Nghệ An, 201 LI CM N 2 Đề tài khoá luận tốt nghiệp được hoàn thành tại phòng máy, phòng thí nghiệm hoá Vô cơ – trung tâm thực hành thí nghiệm trường Đại học Vinh. Để hoàn thành được khoá luận này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ThS Phan Thị Minh Huyền đã giao đề tài, hết lòng hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình hoàn thành khoá luận này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong tổ bộ môn hoá Phân tích, hoá Vô cơ, các thầy giáo, cô giáo hướng dẫn phòng thí nghiệm thuộc trung tâm thực hành thí nghiệm trường Đại học Vinh đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, anh chị em và bạn bè đã quan tâm, động viên em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp của mình. Do thời gian hạn chế nên khóa luận chắc còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn. Vinh, tháng 5 năm 2012 Sinh viên Nguyễn Thị Lệ Thủy MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN .3 3 1.1. Một số khái niệm trong lĩnh vực nano 3 1.1.1. Công nghệ nano (nanotechnology) 3 1.1.2. Vật liệu nano (nanomaterial) .3 1.1.3. Tính chất của vật liệu nano 4 1.1.4. Hóa học nano .6 1.1.5. Ứng dụng công nghệ nano .6 1.2. Cấu trúc Mn 2 O 3 .7 1.3. Khả năng hấp phụ của vật liệu rắn .7 1.3.1. Sự hấp phụ .7 1.3.2. Hấp phụ hóa học và hấp phụ lý học 8 1.4. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano 8 1.4.1. Phương pháp gốm truyền thống 8 1.4.2. Phương pháp đồng kết tủa .9 1.4.3. Phương pháp phóng điện hồ quang .10 1.4.4. Phương pháp ngưng đọng pha hơi .10 1.4.5. Phương pháp sol – gel .10 1.4.6. Phương pháp đốt cháy .12 1.5. Giới thiệu chung về nguyên tố chì .15 1.5.1. Tính chất lý – hóa học của nguyên tố chì 15 1.5.2. Một số ứng dụng và tác hại của chì .19 1.6. Các phương pháp xử lý chì .21 1.6.1. Phương pháp kết tủa 21 1.6.2. Phương pháp keo tụ .22 1.6.3. Tách chì bằng phương pháp chiết 23 1.7. Các phương pháp định lượng chì .23 1.7.1. Phương pháp phân tích hóa học 23 1.7.2. Phương pháp phân tích công cụ 26 1.8. Giới thiệu về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử 30 Chương 2. THỰC NGHIỆM 34 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 34 2.1.1. Hóa chất .34 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị 34 4 2.2. Chuẩn bị dung dịch chất đầu 35 2.3. Kỹ thuật thực nghiệm .35 2.3.1. Tổng hợp vật liệu hạt nano Mn 2 O 3 35 2.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến kích thước hạt 36 2.4. Các phương pháp nghiên cứu bột Mn 2 O 3 .37 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 37 2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 39 2.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA – TGA) .39 2.5. Xác định hàm lượng chì trong nước trước và sau khi hấp phụ bằng hạt nano oxit Mn 2 O 3 .40 2.5.1. Chuẩn bị dung dịch mẫu 40 2.5.2. Xác định chì trong nước 40 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1. Kết quả phân tích nhiệt mẫu gel .42 3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Mn 2+ /Glycin 43 3.3. Ảnh hưởng pH của dung dịch hỗn hợp ban đầu .46 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu 49 3.5. Hình thái học bề mặt của mẫu 53 3.6. Xác định hàm lượng chì trong nước sau khi hấp phụ mẫu vật liệu oxit mangan Mn 2 O 3 55 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 1 59 PHỤ LỤC 2 61 DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG KHÓA LUẬN 5 Bảng 1.1. Một số vật liệu được điều chế bằng phương pháp đốt cháy dung dịch Bảng 1.2. Một số hợp chất được điều chế bằng phương pháp đốt cháy gel polime Bảng 2.1. Nồng độ chì trong nước trước khi hấp phụ bằng vật liệu Bảng 2.2. Khảo sát khoảng thời gian hấp phụ của ion Pb 2+ Bảng 3.1. Tỉ lệ mol Mn 2+ /Glycin Bảng 3.2. Sự phụ thuộc kích thước hạt vào tỉ lệ mol Mn 2+ /Glycin Bảng 3.3. Hằng số mạng tinh thể các mẫu M i Bảng 3.4. pH của các mẫu vật liệu Bảng 3.5. Sự phụ thuộc kích thước hạt vào pH Bảng 3.6. Hằng số mạng tinh thể các mẫu P i Bảng 3.7. Nhiệt độ nung các mẫu vật liệu Bảng 3.8. Sự phụ thuộc kích thước hạt vào nhiệt độ nung Bảng 3.9. Hằng số mạng tinh thể các mẫu N i Bảng 3.10. Kết quả xác định hàm lượng chì còn lại sau khi hấp phụ bằng 0,1gam Mn 2 O 3 của mẫu M 2 DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể Mn 2 O 3 Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp Mn 2 O 3 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel trong môi trường không khí Hình 3.2. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu M 1 Hình 3.3. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu M 2 6 Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu M 3 Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu P 1 Hình 3.6. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu P 2 (M 3 ) Hình 3.7. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu P 3 Hình 3.8. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu P 4 Hình 3.9. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N 1 Hình 3.10. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N 2 Hình 3.11. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N 3 (M 3 ) Hình 3.12. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N 4 Hình 3.13. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu N 5 Hình 3.14. Ảnh SEM mẫu N 3 Hình 3.15. Ảnh SEM mẫu N 4 Hình 3.16. Ảnh SEM mẫu N 5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN AAS Quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrometry) AES Quang phổ phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectrometry) CS Phương pháp đốt cháy (Combustion synthesis) CV - AAS Kỹ thuật hóa hơi lạnh (Cold vapour AAS) DTA Phân tích nhiệt vi sai (Differential thermal analysis) ETA - AAS Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa (Electro – Thermal – Atomization AAS) F - AAS Kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí (Flame AAS) SC Đốt cháy dung dịch (Solution combustion) SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopic) SSC Đốt cháy pha rắn (Solid State Combustion) TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis) XRD Nhiễu xạ tia X (X – ray Diffraction) 7 MỞ ĐẦU Vào những năm đầu của thế kỷ 20, sự ra đời của thuyết lượng tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của nhiều ngành khoa học tự nhiên, cho phép đi sâu vào nghiên cứu cấu tạo chất. Trên tiền đề đó, giữa thế kỷ 20 và sang thế kỷ 21, ngành khoa học công nghệ nano ra đời nhanh chóng hấp dẫn các nhà khoa học và thực tế đã có vai trò hết sức quan trọng trong xã hội. Trong những năm gần đây, vật liệu nano và công nghệ nano đang được nhiều nhóm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Thành tựu khoa học của các công trình nghiên cứu vật liệu nano đang trở nên có ý nghĩa hơn bao giờ hết. Công nghệ nano đang phát triển nhanh chóng và mang lại nhiều triển vọng cho khoa học cuộc sống. Công nghệ nano là ngành công nghệ chuyên nghiên cứu, phân tích, chế tạo, thiết kế những vật liệu có kích thước cỡ nanomet (10 -9 m). Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học . Do bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của 8 nhiều tính chất hóa lý của vật liệu nên nó có những tính chất vô cùng đặc biệt mà những vật liệu có kích thước lớn hơn không có được như độ bền cơ học cao, tính bán dẫn, các tính chất quang điện vượt trội, hoạt tính xúc tác cao… Hiện nay có rất nhiều loại vật liệu nano có cấu trúc khác nhau được quan tâm nghiên cứu, trong đó có cấu trúc nano dựa trên các hợp chất oxit (ZnO, Fe 2 O 3 , TiO 2 …). Ở Việt Nam, từ cuối những năm 1990 các loại vật liệu nano đã được nhiều nhóm nghiên cứu và đạt được kết quả đáng kể. Các loại vật liệu nano được ứng dụng trong công nghệ sinh học như các tác nhân phản ứng sinh học và hiện ảnh các tế bào, trong vật lý như chấm lượng tử hướng đến sản xuất điôt phát quang, trong hóa học như các tác nhân xúc tác và xử lý môi trường, trong cuộc sống hằng ngày như các vật dụng lọc nước. Oxit mangan được ứng dụng làm thuốc nhuộm màu nâu, dùng để chế tạo sơn, và là thành phần chính của màu nâu đen tự nhiên. Ngoài ra nó còn được sử dụng phổ biến để chế tạo điện cực trong các nguồn điện. Khi chúng ta giảm kích thước của các hạt oxit mangan xuống kích thước nanomet thì nó đã mở ra một triển vọng mới trong việc ứng dụng vào công nghệ sinh học, năng lượng, điện tử…đặc biệt là trong công nghệ xử lý nước. Trong số các phương pháp tổng hợp, tổng hợp đốt cháy (CS – Combustion synthesis) là một kỹ thuật quan trọng trong điều chế và xử lý các vật liệu gốm mới, chất xúc tác, composit, vật liệu nano. Tổng hợp đốt cháy được đặc trưng bởi nhiệt độ cao, diễn ra trong một thời gian ngắn. Những đặc tính này làm cho CS trở thành một phương pháp hấp dẫn cho sản xuất các vật liệu công nghệ với chi phí thấp so với phương pháp thông thường. Việc xử lý các kim loại nặng trong nước bằng cách hấp phụ các hạt nano oxit mangan giờ đây đang được các nhà khoa học quan tâm rất nhiều. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp oxit Mn 2 O 3 cấp hạt nano bằng phương pháp đốt cháy gel, 9 thử khả năng hấp phụ ion Pb 2+ trong môi trường nước” làm khóa luận tốt nghiệp Đại học – chuyên ngành hóa vô cơ, với mong muốn làm sáng tỏ một số tính chất ưu việt của loại vật liệu này trong thực tế. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Một số khái niệm trong lĩnh vực nano [6], [10], [14] 1.1.1. Công nghệ nano (nanotechnology) Là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dạng, kích thước trên quy mô nanomet. Công nghệ nano được xem như là chiếc cầu nối giữa vật liệu kích thước nguyên tử, phân tử đến kích thước vĩ mô trong các ngành kỹ thuật. 1.1.2. Vật liệu nano (nanomaterial) Từ nano có nguồn gốc trong tiếng Hy Lạp “nanos” nghĩa là nhỏ bé, thấp lùn. Theo quy định quốc tế, tiền tố nano tương ứng với 10 -9 . Chẳng hạn, nanogiây = 10 -9 giây, nanogam = 10 -9 gam…Trong phạm vi xét đến, từ nano mà chúng ta dùng có nghĩa là nanomet. Khái niệm vật liệu nano mang ý nghĩa tương đối rộng. Vật liệu nano có thể là những tập hợp của các nguyên tử kim loại hoặc phi kim hoặc phân tử của các oxit, sunfua, cacbua, nitrua, borua…có kích thước trong khoảng từ 1 – 100 nm. Đó cũng có thể là những vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự 10 . Tổng hợp oxit Mn 2 O 3 cấp hạt nano bằng phương pháp đốt cháy gel, 9 thử khả năng hấp phụ ion Pb 2+ trong môi trường nước làm khóa luận tốt nghiệp Đại. là hấp phụ hơi nước trên bề mặt silicagen. 1.4. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano Để tổng hợp vật liệu nano có thể dùng nhiều phương pháp tổng hợp