Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lantan ferit lafeo3 ứng dụng xử lý ô nhiễm phosphat trong nước

LỜI CẢM ƠN Để thực hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, em nhận đƣợc hỗ trợ, giúp đỡ nhƣ quan tâm, động viên từ nhiều quan, tổ chức cá nhân Sau thời gian làm việc nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn, giúp đỡ thầy cô giáo khoa Quản lý Tài nguyên rừng Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam… em hồn thành xong luận văn với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Lantan ferit LaFeO3, ứng dụng xử lý ô nhiễm phosphat nước” Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Vũ Huy Định ThS Đặng Thế Anh trực tiếp hƣớng dẫn tận tình, ln dành nhiều thời gian, cơng sức hƣớng dẫn em suốt q trình thực nghiên cứu hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học Em xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu nhà trƣờng, Trung tâm phân tích mơi trƣờng ứng dụng công nghệ địa không gian tồn thể thầy giáo cơng tác trƣờng tận tình truyền đạt kiến thức quý báu, giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu Tuy có nhiều cố gắng, nhƣng đề tài nghiên cứu khoa học không tránh khỏi thiếu sót Kính mong Q thầy cơ, chun gia, ngƣời quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình bạn bè tiếp tục có ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài đƣợc hồn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2019 Sinh viên Ngần Văn Nhì i TĨM TẮT KHĨA LUẬN - Tên đề tài: ―Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Lantan Ferit LaFeO3, ứng dụng xử lý ô nhiễm phosphat nƣớc” - Sinh viên thực hiện: Ngần Văn Nhì - Giảng viên hƣớng dẫn: TS Vũ Huy Định, ThS Đặng Thế Anh – Bộ mơn Hóa học, Khoa QLTNR & MT Đối tƣợng nghiên cứu Vật liệu Lantan Ferit (LaFeO3) mẫu nƣớc chứa phosphat Mục tiêu nghiên cứu Góp phần điều chế vật liệu có khả xử lý ô nhiễm phosphat môi trƣờng nƣớc phƣơng pháp hấp thụ Điều chế vật liệu Lantan ferit LaFeO3 có kích cỡ nanomet Xác định điều kiện thí nghiệm sử dụng vật liệu điều chế đƣợc cho trình xử lý nƣớc chứa phosphat Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt LaFeO3 kích cỡ nanomet từ muối lantan muối sắt Nghiên cứu sử dụng vật liệu chứa sắt cỡ nanomet để xử lý phosphat mẫu nƣớc chứa phosphat tự tạo phịng thí nghiệm Nghiên cứu sử dụng vật liệu chứa sắt cỡ nanomet để xử lý phosphat mẫu nƣớc chứa phosphat thực tế Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu sau: - Phƣơng pháp kế thừa tài liệu - Phƣơng pháp thực nghiệm - Phƣơng pháp xác định nƣớc ô nhiễm PO43-: Phƣơng pháp đo phổ dùng Amoni molipdat ii - Phƣơng pháp điều chế vật liệu LaFeO3 - Phƣơng pháp phân tích đặc tính vật liệu: + Phƣơng pháp sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM, EDX + Phƣơng pháp UV-vis xác định nồng độ phẩm màu - Phƣơng pháp xử lý số liệu Các kết nghiên cứu 5.1 Kết điều chế sắt vật liệu LaFeO3 Tổng hợp đƣợc vật liệu nano LaFeO3 theo phƣơng pháp phƣơng pháp sol – gel với kích thƣớc hạt cấu trúc ≤50 nm với thành phần khối lƣợng 12,45 % sắt 33,72% lantan Thành phần nguyên tử 6,6% sắt 7,19% lantan, tƣơng ứng với tỷ lệ 1:1 Bƣớc đầu nghiên cứu đƣợc từ tính vật liệu LaFeO3 diện tích bề mặt, để từ ứng dụng chúng thực tiễn 5.2 Kết khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý nước ô nhiễm PO43- (với mẫu nước ô nhiễm tự tạo phịng thí nghiệm) vật liệu LaFeO3 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ vật liệu nano LaFeO3 cho kết quả: Với PO43- pH tối ƣu (hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm đạt 60%), thời gian phản ứng đạt cân hấp phụ 10 phút (ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến khả xử lý vật liệu không đáng kể), nhiệt độ phản ứng đạt hiệu suất cực đại 200C, tỉ lệ khối lƣợng vật liệu hấp phụ cực đại chất ô nhiễm 1/10 (gam vật liệu/gam chất ô nhiễm) Đã ứng dụng vật liệu vào xử lý mẫu nƣớc ô nhiễm phosphat thực tế Kết sau xử lý phosphat nằm khoảng quy chuẩn cho phép tùy thuộc vào loại nƣớc mục đích sử dụng nƣớc chiếu theo quy chuẩn Sự có mặt ion vơ làm giảm hiệu suất trình xử lý phosphat vật liệu, phụ thuộc vào chất ion nồng độ chúng hiệu suất xử lý bị thay đổi, số ion vô đƣợc khảo sát bao gồm: Fe 3+; Cu2+; NH4+; Cl-, NO3- 5.3 Kết xử lý nước ô nhiễm PO43- (với mẫu nước thực) vật liệu LaFeO3 iii Sau khảo sát mẫu nƣớc nhiễm tự tạo tiến hành tính toán lựa chọn điều kiện tối ƣu tiến hành khảo sát với mẫu nƣớc mặt Ứng dụng vật liệu vào xử lý mẫu nƣớc ô nhiễm phosphat thực tế Nhìn chung, hiệu xuất xử lý vật liệu LaFeO3 pphosphat tốt, kết sau xử lý phosphat nằm khoảng quy chuẩn cho phép, tùy thuộc vào loại nƣớc mục đích sử dụng nƣớc chiếu theo quy chuẩn iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các phƣơng pháp xử lý nƣớc 1.1.1 Phƣơng pháp xử lý nƣớc thải lý học 1.1.2 Xử lý nƣớc thải phƣơng pháp hóa – lý 1.1.3 Xử lý nƣớc thải phƣơng pháp sinh học 1.2 Khái quát vật liệu nano chứa sắt 1.2.1 Công nghệ nano 1.2.2 Vật liệu nano 1.3 Ô nhiễm phosphat phƣơng pháp xử lý 12 1.3.1 Ô nhiễm phosphat 12 1.3.2 Xử lý ô nhiễm phosphat 13 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 16 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 16 2.1.1 Mục tiêu chung 16 2.1.2 Mục tiêu cụ thể 16 2.2 Nội dung nghiên cứu 16 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 16 2.3.1 Phƣơng pháp thực nghiệm 16 2.3.2 Phƣơng pháp xác định nƣớc ô nhiễm phosphat 21 2.3.3 Phƣơng pháp điều chế vật liệu 22 2.3.4 Phƣơng pháp phân tích đặc tính vật liệu 23 2.3.5 Phƣơng pháp tính hiệu suất xử lý 25 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Điều chế vật liệu 26 3.1.1 Hình thái vật liệu 26 3.1.2 Thành phần hóa học vật liệu 27 v 3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý phosphat nƣớc vật liệu 29 3.2.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu 29 3.2.2 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất xử lý 30 3.2.3 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm phosphat 32 3.2.4 Ảnh hƣởng nồng độ chất ô nhiễm 32 3.2.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ 34 3.2.6 Ảnh hƣởng ion cản đến hiệu suất xử lý phosphat vật liệu LaFeO3 35 3.2.7 Ảnh hƣởng thể tích chất nhiễm 37 3.3 Khả xử lý phosphat với mẫu nƣớc mặt vật liệu 39 3.3.1 Các thông số môi trƣờng mẫu nƣớc mặt thử nghiệm 39 3.3.2 Xử lý nƣớc ô nhiễm phosphat vật liệu 40 KẾT LUẬN VÀ TỒN TẠI 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐM Bình định mức TCVN Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam QCVN Quy chuẩn kĩ thuật Quốc gia Việt Nam Abs Độ hấp thụ quang SEM Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét, ―Scanning Electron Microscope‖ EDX, EDS Phƣơng pháp đo Phổ tán sắc lƣợng tia X, ―EnergyDispersive X-Ray Spectroscopy‖, UV-VIS Phổ tử ngoại khả kiến, ―Ultraviolet–visible spectroscopy‖ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số perovskit đƣợc tổng hợp phƣơng pháp đồng tạo phức Bảng 1.2 Một số perovskit đƣợc tổng hợp phƣơng pháp sol-gel 10 Bảng 1.3 Tích số tan số hợp chất phosphat tan 25oC 13 Bảng 2.1 Các dụng cụ thiết bị sử dụng q trình thí nghiệm 20 Bảng 2.2 Kết đo độ hấp thụ quang 21 Bảng 3.1 Kết xác định thành phần nguyên tố vật liệu 29 Bảng 3.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu 29 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu suất xử lý phosphat 31 Bảng 3.4 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý phosphat 32 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng nồng độ chất ô nhiễm đến hiệu suất xử lý 33 Bảng 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến hiệu suất xử lý phosphat 34 Bảng 3.7 Bảng kết khảo sát ion cản hiệu suất xử lý phosphat 36 Bảng 3.8 Ảnh hƣởng thể tích chất nhiễm đến hiệu suất xử lý phosphat 37 Bảng 3.9 Điều kiện tối ƣu xử lý phosphat nƣớc vật liệu 38 Bảng 3.10 Kết phân tích số tiêu nƣớc mặt 39 Bảng 3.11 Xử lý nƣớc ô nhiễm phosphat 40 viii DANH MỤC H NH Hình 1.1 Sơ đồ kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM) Hình 2.1 Hóa chất LaCl3.7H2O 17 Hình 2.2 Hóa chất Fe(NO3)3.9H2O 17 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình điều chế vật liệu 18 Hình 2.4 Dãy bình định mức xây dựng đƣờng chuẩn phosphat 21 Hình 2.5 Đƣờng chuẩn phosphat 22 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 24 Hình 3.1 Quá trình khuấy tạo gel 26 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM 27 vật liệu x10000 27 Hình 3.3 Ảnh chụp SEM 27 vật liệu x3000 27 Hình 3.4 Giản đồ phân tích phổ EDX vật liệu 28 Hình 3.5 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu đến hiệu suất xử lý phosphat 30 Hình 3.6 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu suất xử lý phosphat 31 Hình 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ chất nhiễm 33 Hình 3.8 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến hiệu suất xử lý phosphat 35 Hình 3.9 Kết khảo sát ion cản hiệu suất xử lý phosphat vật liệu 36 Hình 3.10 Ảnh hƣởng thể tíchchất ô nhiễm đến hiệu suất xử lý 38 Hình 3.11 Kết xử lý nƣớc nhiễm phosphat vật liệu 40 ix MỞ ĐẦU Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt ô nhiễm nguồn nƣớc ngày trở nên nghiêm trọng Việt Nam Bất chấp lời kêu gọi bảo vệ môi trƣờng, bảo vệ nguồn nƣớc, tình trạng nhiễm lúc trở nên trầm trọng Tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc hàm lƣợng ion độc hại vƣợt tiêu chuẩn an toàn cho phép Bộ tài ngun mơi trƣờng Ơ nhiễm môi trƣờng nƣớc gây ảnh hƣởng tiêu cực tới môi trƣờng sống xung quanh sức khỏe ngƣời, nghiên cứu xử lý nhiễm làm nguồn nƣớc điều cần thiết Trong phạm vi nghiên cứu đề tài em xin đƣợc trình bày phƣơng pháp xử lý ion độc hại có nƣớc mặt, cụ thể ion phosphat Việc xử lý phosphat có nhiều nghiên cứu đề cập đến từ lâu nhƣng chƣa đƣợc xử lý đƣợc cách triệt để nơi nguồn phát thải phosphat cao Bên cạnh nghiên cứu vật liệu nano chứa sắt lại cho thấy khả hấp phụ ion độc hại hiệu Tuy nhiên với phƣơng pháp tổng hợp phức tạp, giá thành cao nên chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi Với mong muốn sử dụng vật liệu nano chứa sắt để xử lý triệt để ion độc hại nƣớc, hạn chế đƣợc chi phí sản xuất em thực đề tài : “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Lantan ferit LaFeO3, ứng dụng xử lý ô nhiễm phosphat nước” 62 60 Hiệu s uất (%) 58 56 54 52 50 48 0.001 0.005 0.01 Khối lƣợng vật liệu xử lý (g) Hình 3.5 Ảnh hƣởng hàm lƣợng vật liệu đến hiệu suất xử lý phosphat Từ biểu đồ cho thấy hàm lƣợng vật liệu 0,01g có hiệu suất hấp phụ tốt nhất, đạt 61% Tại 0,001g có hiệu suất xử lý thấp 53% Do đó, thấy khối lƣợng vật liệu xử lý nhỏ, hiệu suất xử lý chất ô nhiễm thấp, tăng khối lƣợng vật liệu xử lý, hiệu suất xử lý vật liệu tăng Vì ta chọn khối lƣợng vật liệu để xử lý 0,01g 3.2.2 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý pH dung dịch yếu tố có ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm Tiến hành khảo sát pH dung dịch giá trị thể bảng 3.8, với thời gian phản ứng 10 phút, nhiệt độ phản ứng 200C, nồng độ chất ô nhiễm ban đầu mg/l, khối lƣợng vật liệu 0,01g Tính tốn hiệu suất hấp phụ phosphat vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: 30 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu suất xử lý phosphat Thời gian phản ứng Hàm lƣợng vật liệu (g) Nồng độ PO43- ban đầu (mg/l) 0,01 pH 10 Nồng độ PO43sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) 1,0 0,40 60 0,01 1,0 0,46 54 0,01 1,0 0,55 45 0,01 1,0 0,58 42 11 0,01 1,0 0,64 36 70 60 Hiệu suất (%) 50 40 30 20 10 11 Nơng độ pH Hình 3.6 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hiệu suất xử lý phosphat Từ kết thu đƣợc ta thấy: - Tại thời gian phản ứng 10 phút, vật liệu cho kết hấp phụ tốt pH = với hiệu suất xử lý 60% Trong khoảng pH = đến pH = 31 vật liệu có độ hấp phụ gần tƣơng đƣơng với hiệu suất khoảng từ 50 – 60 % Khoảng pH = – 11, vật liệu có hiệu suất hấp phụ giảm dần, pH = 11 hiệu suất 36% 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất xử lý nước ô nhiễm phosphat Tiến hành khảo sát với thời gian xử lý nƣớc ô nhiễm với nồng độ chất ô nhiễm ban đầu mg/l nhiệt độ phản ứng 20 0C; khối lƣợng vật liệu xử lý 0,01g Tính tốn hiệu suất hấp phụ vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: Bảng 3.4 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu suất xử lý phosphat Thời gian phản ứng (phút) Hàm lƣợng vật liệu (g) pH dung dịch Nồng độ PO43trƣớc phản ứng (mg/l) 10 0,01 1,0 0,4 60 30 0,01 1,0 0,4 60 40 0,01 1,0 0,4 60 60 0,01 1,0 0,4 60 90 0,01 1,0 0,4 60 Nồng độ PO43- sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) Hiệu suất xử lý PO43- vật liệu qua khoảng thời gian khác không cao khơng có chênh lệch hiệu suất xử lý vật liệu LaFeO3 Khoảng thời gian từ 10 – 90 phút, hiệu suất xử lý 60% 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ chất ô nhiễm Tiến hành khảo sát với nồng độ chất ô nhiễm thời gian phản ứng 10 phút, khối lƣợng vật liệu xử lý 0,01g nồng độ khác pH = Tính tốn hiệu suất hấp phụ vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: 32 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng nồng độ chất ô nhiễm đến hiệu suất xử lý Nồng độ PO43- trƣớc phản ứng (mg/l) Hàm lƣợng vật liệu (g) pH dung dịch Thời gian phản ứng (phút) Nồng độ PO43- sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) 0,5 0,01 10 0,12 76 1,0 0,01 10 0,37 63 2,0 0,01 10 0,73 64 3,0 0,01 10 1,33 56 4,0 0,01 10 1,93 52 80 70 60 Hiệu suất (%) 50 40 30 20 10 0.5 Nồng độ chất ô nhiễm (mg/l) Hình 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ chất nhiễm Nồng độ ban đầu PO43- mức 0,05 mg/l, hiệu suất xử lý vật liệu đạt 74% Tăng nồng độ lên mg/l, hiệu suất xử lý giảm 63% Khi nồng độ mg/l, hiệu suất cịn 51% Nồng độ chất nhiễm cao, khối lƣợng vật liệu xử lý ô nhiễm cần đƣợc tính tốn bổ sung hợp lý để hiệu suất hấp phụ vật liệu đạt theo yêu cầu 33 3.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ yếu tố ảnh hƣởng mạnh đến tốc độ phản ứng, chế hiệu suất xử lý, nhiệt độ dung dịch đƣợc khảo sát mức nhiệt độ 20oC, 30 oC, 40oC 50oC nhằm tìm nhiệt độ tối ƣu cho trình xử lý Các điều kiện khác trình xử lý, bao gồm nồng độ PO 43- mg/l, hàm lƣợng vật liệu xúc tác 0,01g, pH = 3, thể tích dung dịch 100ml Kết khảo sát: Tính tốn hiệu suất hấp phụ vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: Bảng 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến hiệu suất xử lý phosphat Nồng độ Nồng độ PO43Hàm PO43- sau trƣớc lƣợng vật phản phản liệu (g) ứng ứng (mg/l) (mg/l) Nhiệt độ phản ứng (0C) pH dung dịch Thời gian phản ứng (phút) 20 10 0,01 1,0 0,39 61 30 10 0,01 1,0 0,40 60 40 10 0,01 1,0 0,46 54 50 10 0,01 1,0 0,59 41 34 Hiệu suất (%) 70 60 Hiệu suất (%) 50 40 30 20 10 20 30 40 Nhiệt độ 50 (0C) Hình 3.8 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến hiệu suất xử lý phosphat Nhìn vào hình 3.8 kết hợp với bảng 3.6 ta thấy hiệu suất xử lý PO43cao phản ứng chất ô nhiễm vật liệu 200C đạt 61 % Ở mức nhiệt độ cao 200C hiệu suất xử lý giảm dần Kết thí nghiệm hình cho thấy hiệu suất xử lý tăng nhiệt độ dung dịch tăng khoảng thời gian đầu trình xử lý Hiệu suất phản ứng tăng lên nhanh nhiệt độ tăng đến 25 oC, đạt tới khoảng 65% sau 10 phút xử lý Tuy nhiên, nhiệt độ tăng lên căng cao hiệu suất đạt đƣợc thấp hơn, 500C hiệu suất phản ứng đạt 41% 3.2.6 Ảnh hưởng ion cản đến hiệu suất xử lý phosphat vật liệu LaFeO3 Một yếu tố cản trở hiệu suất xử lý vật liệu có mặt ion vơ cơ, đặc biệt áp dụng với mẫu nƣớc thực tế ln có mặt ion vơ muối hịa tan nồng độ khác Trong nội dung nghiên cứu này, ion vơ ảnh hƣởng lớn tới q trình hấp phụ vật liệu bao gồm: Fe3+; Cu2+; NH4+; Cl-, NO32- đƣợc khảo sát giá trị nồng độ cao Tiến hành khảo sát nồng độ PO43- mg/l, nhiệt độ trình phản ứng 200C, pH tối ƣu khối lƣợng vật liệu xử lý 0,01g, thể tích ion cản đƣợc sử dụng ml, thời gian phản ứng 10 phút 35 Tính tốn hiệu suất hấp phụ vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: Bảng 3.7 Bảng kết khảo sát ion cản hiệu suất xử lý phosphat Thời gian phản ứng (phút) 60 Nồng độ PO43- sau phản ứng (mg/l) Hiệu suất (%) Khơng có ion cản 0,45 55 Cu2+ 0,76 24 Cl- 0,40 60 Fe3+ 0,58 42 NH4+ 0,35 55 NO3- 0,44 56 Các ion cản Khơng có ion cản NO3- NH4+ Fe3+ Cl- Cu2+ 10 20 30 40 50 60 70 Hiệu suất xử lý (%) Hình 3.9 Kết khảo sát ion cản hiệu suất xử lý phosphat vật liệu 36 Kết thu đƣợc hình cho thấy có mặt ion vơ làm giảm hiệu suất trình xử lý, phụ thuộc vào chất ion nồng độ chúng Tại thời gian phản ứng 60 phút, ion gây cản trở lớn tới trình xử lý Cu2+ nồng độ 0,5 M hiệu suất q trình xử lý cịn 24% giảm 31%; ion Cl-, NH4+ NO3- không gây ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý vật liệu; ion Fe3+ nồng độ ion cản lớn, hiệu suất xử lý giảm 3.2.7 Ảnh hưởng thể tích chất nhiễm Khảo sát thể tích chất nhiễm thể tích khác với 0,01 g vật liệu hấp phụ thời gian 10 phút, pH = Tính tốn hiệu suất hấp phụ vật liệu ta thu đƣợc kết nhƣ bảng sau: Bảng 3.8 Ảnh hƣởng thể tích chất nhiễm đến hiệu suất xử lý phosphat Nồng độ Nồng độ PO43PO43trƣớc Hiệu sau phản phản suất (%) ứng ứng (mg/l) (mg/l) pH Hàm lƣợng vật liệu (g) Thời gian phản ứng (phút) 100 0,01 10 1,0 0,42 58 200 0,01 10 1,0 0,45 55 400 0,01 10 1,0 0,49 51 500 0,01 10 1,0 0,52 48 800 0,01 10 1,0 0,57 43 1000 0,01 10 1,0 0,61 39 Thể tích chất nhiễm 37 70 Hiệu suất xử lý (%) 60 50 40 30 20 10 100 200 400 500 800 1000 Thể tích chất nhiễm (ml) Hình 3.10 Ảnh hƣởng thể tíchchất nhiễm đến hiệu suất xử lý Qua bảng 3.8 hình 3.10 cho thấy, với hàm lƣợng vật liệu = 0,01 g, khả hấp phụ nồng độ chất ô nhiễm đạt 58% với thể tích chất nhiễm 100 ml giảm dần đến 39% thể tích chất ô nhiễm 1000 ml điều kiện pH, thời gian, nồng độ nhiệt độ phản ứng Kết luận Dựa vào kết khảo sát ta thấy hiệu suất xử lý vật liệu mẫu nƣớc nhiễm tự tạo phịng thí nghiệm dao động khoảng 50 – 60% xử lý PO43- Các điều kiện xử lý tối ƣu đƣợc trình bày nhƣ bảng 3.9: Bảng 3.9 Điều kiện tối ƣu xử lý phosphat nƣớc vật liệu pH Hàm Thể tích dung lƣợng vật chất dịch tối liệu tối nhiễm ƣu ƣu (g) xử lý tối ƣu (ml) PO43- 0,01 100 38 Thời gian phản ứng tối ƣu (phút) 10 Nhiệt độ Nồng phản độ chất ứng tối ƣu ( C) nhiễm xử lý tốt (mg/l) 20 1,0 3.3 Khả xử lý phosphat với mẫu nƣớc mặt vật liệu 3.3.1 Các thông số môi trường mẫu nước mặt thử nghiệm Mẫu nƣớc mặt đƣợc lấy Thôn Tiên Trƣợng – Xã Thủy Xuân Tiên – Chƣơng Mỹ – Hà Nội Kí hiệu mẫu nƣớc lần lƣợt từ M1đến M10 Phƣơng pháp lấy mẫu bảo quản mẫu dựa theo TCVN 6663-3: 2008 (ISO 5667-3: 2003): Tiêu chuẩn Quốc gia chất lƣợng nƣớc - lấy mẫu phần 3: hƣớng dẫn bảo quản xử lý mẫu Kết phân tích tiêu nƣớc mẫu nhƣ sau: Bảng 3.10 Kết phân tích số tiêu nƣớc mặt Kí hiệu mẫu M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 QCVN 08:2015 /BTNM T cột B1 pH DO (mg/l) EC (µS/cm) TDS (mg/l) 7,7 6,9 8,0 7,2 7,2 7,2 7,1 7,5 6,7 7,1 6,3 6,6 5,7 7,6 8,3 6,0 6,1 5,9 6,7 7,6 170 129 172,1 292 126 330 459 177,3 387 274,4 85,5 64,6 86 146 29,5 165 230 88,9 194 137,2 Nhiệt độ (0C) 26,2 27,1 27,8 28 29 28,3 29 29,8 28,5 28,6 5,5 - - - NaCl (%) 0,1 0,3 0,3 0,6 0,5 0,6 0,9 0,3 0,8 0.5 Nồng độ PO43(mg/l) 0,22 0,42 0,59 0,18 0,21 0,79 0,58 1,11 0,34 0,42 0,3 - Theo cột B1 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt áp dụng cho mục đích tƣới tiêu, thủy lợi mục đích sử dụng khác ta thấy mẫu có thơng số nhƣ pH, Hàm lƣợng oxy hòa tan nằm khoảng cho phép Đối chiếu với cột B1 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt áp dụng cho mục đích tƣới tiêu, thủy lợi mục đích sử dụng khác Nồng độ PO43- mẫu M2, M3, M6, M7, M8, M9 M10 vƣớt quy chuẩn cho phép Tại mẫu M8 có hàm lƣợng cao 1,11 mg/l vƣợt 3,7 lần; mẫu M1, M4, M5 nằm quy chuẩn cho phép 39 3.3.2 Xử lý nước ô nhiễm phosphat vật liệu Bảng 3.11 Xử lý nƣớc ô nhiễm phosphat M1 0,0114 20 Thời gian phản ứng (phút) 30 M2 0,0081 20 30 M3 0,0117 20 30 0,42 0,59 M4 0,0036 20 30 0,18 0,08 56 M5 0,0042 20 30 0,21 0,06 71 M6 0,0158 20 30 0,79 0,48 39 M7 0,0116 20 30 0,58 0,24 59 M8 0,0221 20 30 1,11 0,27 76 M9 0,0068 20 30 0,34 0,15 55 M10 0,0084 20 30 0,42 0,31 26 Mẫu Lƣợng Nhiệt độ phản vật liệu ứng nano xử lý (g) (0C) pH dung dịch Nồng độ PO43ban đầu (mg/l) Nồng độ PO43- sau xử lý (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 0,22 0,13 41 0,21 50 0,42 28 80 1.2 70 60 40 0.6 30 0.4 20 0.2 10 0 M1 M2 M3 M4 Nồng độ trƣớc xử lý M5 M6 Nồng độ sau xử lý M7 M8 M9 M10 Hiệu suất xử lý (%) Hình 3.11 Kết xử lý nƣớc nhiễm phosphat vật liệu 40 Nồng độ (mg/l) Hiệu suất (%) 0.8 50 Thông qua việc khảo sát yếu tố ảnh hƣởng xử lý ô nhiễm phosphat vật liệu LaFeO3, đề tài lựa chọn xử lý mẫu nƣớc điều kiện tối ƣu tính toán lƣợng vật liệu cho vào cho hiệu suất xử lý tốt Cụ thể: Đối chiếu với cột B1 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt áp dụng cho mục đích tƣới tiêu, thủy lợi mục đích sử dụng khác Nồng độ PO43- mẫu M2, M3, M6, M7, M8, M9 M10 vƣợt quy chuẩn cho phép Sau xử lý mẫu M3 M10 không đạt quy chuẩn cho phép cột B1 Tại mẫu nƣớc M8, nồng độ PO43- ban đầu đo đƣợc 1,11 mg/l Nồng độ PO43- sau xử lý 0,27 mg/l, đạt hiệu suất 76% Sau xử lý nồng độ PO43- nƣớc đạt quy chuẩn Các mẫu M3, M6, M10 sau xử lý với hiệu suất không cao, nồng độ PO43- nằm khoảng giới hạn cho phép cột B1 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt áp dụng cho mục đích tƣới tiêu, thủy lợi mục đích sử dụng khác Tuy nhiên sử dụng cho mục đích sử dụng cột B2 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt áp dụng cho mục đích giao thơng thủy mục đích khác với yêu cầu nƣớc chất lƣợng thấp Các mẫu M1, M4, M5 nằm khoảng giới hạn mục đích cho phép cột A2 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt áp dụng cho mục đích sinh hoạt nhƣng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp Sau xử lý nồng độ PO43- giảm sử dụng với mục đích sinh hoạt cột A1 QCVN 08/2015, Quy chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt Kết luận hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm phosphat vật liệu Từ kết khảo sát hiệu suất xử lý vật liệu nano LaFeO3 với mẫu thực không đƣợc cao, khả áp dụng vào thực tế thấp hàm lƣợng vật liệu cần thiết cho q trình xử lý nhiều Có thể dễ thấy so với mẫu nƣớc ô nhiễm tự tạo phịng thí nghiệm xử lý tốt mẫu thực hàm lƣợng ion cản mẫu thực thực tế cao, nhiệt độ nồng độ chất ô nhiễm mẫu thực cao so với thực tế nhiều Tuy nhiên vật liệu hồn tồn áp dụng trƣờng hợp mơi trƣờng nƣớc bị bị nhiễm 41 KẾT LUẬN VÀ TỒN TẠI KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu hoàn thành đề tài: ―Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Lantan Ferit LaFeO3, ứng dụng xử lý ô nhiễm phosphat nước‖, thu đƣợc kết nhƣ sau: Đã tổng hợp đƣợc vật liệu nano LaFeO3 theo phƣơng pháp phƣơng pháp sol – gel với kích thƣớc hạt cấu trúc ≤50 nm với thành phần khối lƣợng 12,45 % sắt 33,72% Lantan Thành phần nguyên tử 6,6% sắt 7,19% Lantan, tƣơng ứng với tỷ lệ 1:1 Bƣớc đầu nghiên cứu đƣợc từ tính vật liệu diện tích bề mặt, để từ ứng dụng chúng thực tiễn Nghiên cứu khảo sát điều kiện nhiệt độ, thời gian tối ƣu để điều chế bột nano LaFeO3; Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới trình hấp phụ vật liệu nano LaFeO3 cho kết quả: Với PO43- pH tối ƣu (hiệu suất xử lý nƣớc ô nhiễm đạt 60%), thời gian phản ứng đạt cân hấp phụ 10 phút (ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến khả xử lý vật liệu không đáng kể), nhiệt độ phản ứng đạt hiệu suất cực đại 200C, tỉ lệ khối lƣợng vật liệu hấp phụ cực đại chất ô nhiễm 1/10 (gam vật liệu/gam chất ô nhiễm) Sự có mặt ion vơ làm giảm hiệu suất trình xử lý phosphat vật liệu, phụ thuộc vào chất ion nồng độ chúng hiệu suất xử lý bị thay đổi, số ion vô đƣợc khảo sát bao gồm: Fe3+; Cu2+; NH4+; Cl-, NO32- Đã ứng dụng vật liệu vào xử lý mẫu nƣớc ô nhiễm phosphat thực tế Kết sau xử lý phosphat nằm khoảng quy chuẩn cho phép tùy thuộc vào loại nƣớc mục đích sử dụng nƣớc chiếu theo quy chuẩn TỒN TẠI Một số nội dung chƣa đƣợc nghiên cứu mở rộng: - Nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu nano xử lý phosphat - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3, ứng dụng xử lý chất ô nhiễm khác 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Kiên Trung (2011), Nghiên cứu tổng hợp perovskit LaFeO3 phương pháp đốt cháy gel đánh giá khả xúc tác oxi hóa CO, hấp phụ Asen, Sắt, Mangan Luận văn Thạc sĩ Hóa học, ĐHSP Thái Nguyên [2] Đỗ Quang Trung, Nguyễn Trọng Uyển (2008), ―Nghiên cứu sử dụng than hoạt tính cố định Zr (IV) loại bỏ ion photphat florua nƣớc thải cơng ty cổ phần phân lân Ninh Bình‖, Tạp chí Hóa học, 46 (2A), tr 325330 [3] Lê Huy Bá (2000), Độc học môi trường, NXB Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh [4] La Vũ Thùy Linh (2010), ―Công nghệ nano- cách mạng khoa học kỹ thuật kỷ 21‖, Tạp chí Khoa học & ứng dụng, số 12, tr 14 – 26 [5] Ngụy Hữu Tâm (2004), Công nghệ nano hiên trạng, thách thức siêu ý tưởng, NXBKHKT, Hà Nội [6] Nguyễn Quang Tuấn (2016), Nghiên cứu điều chế hydrotalcite làm vật liệu hấp phụ xử lý ion độc hại môi trường nước, Luận văn Thạc sĩ Hóa học, Đại học KH-TN, ĐHQG Hà Nội [7] Nguyễn Xuân Dũng (2009), Nghiên cứu tổng hợp perovskit hệ lantan cromit lantan manganit phương pháp đốt cháy, Luận án tiến sĩ Hóa học, Hà Nội [8] Phan Văn Tƣờng (2004), Các phương pháp chế tạo vật liệu gốm, Đại học KH-TN, ĐHQG Hà Nội [9] Phan Văn Tƣờng (1998), Vật liêu vô cơ, Đại học KH-TN, ĐHQG Hà Nội [10] QCVN 08:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia chất lượng nước mặt [11] QCVN 09:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia chất lượng nước đất [12] TCVN 6663-3: 2008 (ISO 5667-3: 2003): Tiêu chuẩn Quốc gia chất lượng nước - lấy mẫu - phần 3: hướng dẫn bảo quản xử lý mẫu 43 [13] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh (2004), Cơng nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử, NXBKH&KT, Hà Nội [14] Vũ Thanh Mai (2007), Nghiên cứu chuyển pha hiệu ứng tháu perovskite manganite, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trƣờng Đại học KH-TN, ĐHQG Hà Nội [15] Đặng Thị Thu Hƣơng (2014), Nghiên cứu biến tính quặng Laterit làm vật liệu hấp phụ xử lý ion florua photphat nước thải, Luận văn thạc sĩ - Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH QGHN Tiếng Anh [16] J Fawell, K Bailey, E Chilton, E Dahi, L Fewtrell, Y Magara (2006) Fluoride in Drinking Water, World Health Organization, IWA Publishing, UK [17] J.J Murray (1986), Appropriate Use of Fluorides for Human Health, World Health Organisation, Geneva [18] K J Klabunde (1994), Free Antoms, Clusters and nanoparticles, Academic press, San Diego [19] Rao C N R (1993), ―Chemical synthesis of solid inorganic materials‖, Materials science and engineering B, 18(1), pp 1-21 [20] Seyfia B, Baghalha M, Kazemian H (2009), ―Modified LaCoO3 nanoperovskite catalysts for the automotive CO oxidation‖, Chemical Engineering journal, 148, pp 306-311 [21] E Kumar, A Bhatnagar, J Minkyu, W Jung, S Lee, S Kim, G Lee, H Song, J Choi, J Yang, B Jeon (2009), ―Defluoridation from aqueous solutions by granular ferric hydroxide (GFH)‖, Water Res, 43, 490-499 44 ... Một số nội dung chƣa đƣợc nghiên cứu mở rộng: - Nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu nano xử lý phosphat - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3, ứng dụng xử lý chất ô nhiễm khác 42 ... điều chế vật liệu Lantan ferit LaFeO3 - Xác định điều kiện thí nghiệm sử dụng vật liệu điều chế đƣợc cho trình xử lý nƣớc chứa phosphat 2.2 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa... chứa sắt LaFeO3 - Nghiên cứu sử dụng vật liệu chứa sắt cỡ nanomet để xử lý phosphat mẫu nƣớc chứa phosphat tự tạo phòng thí nghiệm - Nghiên cứu sử dụng vật liệu chứa sắt cỡ nanomet để xử lý phosphat