Tổng hợp oxit fe2o3 cấp hạt nano bằng phương pháp sol gel, khảo sát khả năng hấp thụ ion FE(III), MN(II) trong môi trường nước

1 Trờng đại học vinh KHOA HOá HọC === === Nguyễn thị thu hà Tổng hợp oxit Fe2O3cấp hạt nano phơng pháp sol-gel, khảo sát khả hấp phơ ion Fe(III), Mn(II) m«i trêng níc KHãA LN TốT NGHIệP ĐạI HọC Chuyên ngành: Hoá vô Vinh 2010 Trờng đại học vinh KHOA HOá HọC === === Tổng hợp oxit Fe2O3 cấp hạt nano phơng pháp sol-gel, khảo sát khả hấp phụ ion Fe(III), Mn(II) m«i trêng níc KHãA LN TèT NGHIệP ĐạI HọC Chuyên ngành: Hoá vô Giáo viên hớng dẫn: ThS Phan thị minh huyền Sinh viên thực hiện: nguyễn thị thu hà Lớp: 47A- Hoá Vinh 2010 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khố luận tốt nghiệp này, vô biết ơn: Cô giáo Th.S Phan Thị Minh Huyền giao đề tài, hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện cần thiết suốt q trình tơi học tập hồn thành khố luận Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy cơ, cán Khoa Hố – Trường Đại học Vinh thầy cô giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ trình làm thí nghiệm Tơi xin gửi lời cảm ơn tới người thân yêu gia đình bạn bè động viên, khích lệ tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành khố luận Do thời gian hạn chế nên khố luận cịn nhiều thiếu sót Chúng tơi mong nhận góp ý thầy bạn để khố luận hoàn thiện Vinh, tháng năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thị Thu Hà DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN DTA: Phân tích nhiệt vi sai DrTGA: Phân tích nhiệt khối lượng biến đổi SEM: Hiển vi điện tử quét FTIR: Độ rộng chiều cao cực đại TGA: Phân tích nhiệt khối lượng XRD: nhiễu xạ tia X MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ………………………… CHƯƠNG I TỔNG QUAN……… 1.1 Cấu trúc sắt oxit……… 1.2 Kiến trúc tinh thể oxit sắt……… 1.3 Khả hấp phụ vật liệu rắn……… 1.3.1.Sự hấp phụ……… 1.3.2.Hấp thụ lí học hoá học……… 1.3.3.Sự hấp phụ ranh giới rắn – khí rắn – dung dịch 1.4 Tính chất vật liệu nano 1.5 Các nguyên lý hiệu ứng dùng 1.6 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu cấp hạt nano 1.6.1 Phương pháp gốm truyền thống 1.6.2 Phương pháp đồng kết tủa 1.6.3 Phương pháp sol – gel 1.7 Sắt nước, xử lý sắt phương pháp hấp phụ 12 hạt nano sắt (III) oxit 1.7.1 Sự tồn sắt môi trường nước 12 1.7.2 Xác định hàm lượng sắt nước 12 1.7.3 Các phương pháp để tách loại sắt 14 1.7.4 Xử lý sắt, hấp phụ hạt nano sắt (III) oxit 14 1.8 Mangan nước, xử lý mangan phương pháp hấp 15 phụ hạt nano sắt (III) oxit 1.8.1 Sự tồn mangan môi trường nước 15 1.8.2 Khả oxi hóa hợp chất mangan 16 1.8.3 Xác định hàm lượng mangan nước 16 1.8.4 Các phương pháp khác để tách loại mangan 17 1.8.5 Xử lý mangan hấp phụ hạt nano sắt (III) oxit 17 1.9 Các phương pháp định lượng hàm lượng sắt, mangan 17 CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 20 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 20 2.1.1 Hoá chất 20 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 20 2.1.3 Chuẩn bị dung dịch thuốc thử dung dịch chất đầu 21 2.2 Kĩ thuật thực nghiệm 22 2.3 Phương pháp nghiên cứu 23 2.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt 23 2.3.2 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM: scanning Electron 23 Microscopic) 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 24 2.4 Xử lý số liệu thực nghiệm 24 2.5 Xác định hàm lượng sắt nước trước sau hấp phụ 26 hạt nano oxit sắt 2.5.1 Xác định hàm lượng sắt phương pháp trắc quang 26 2.5.2 Xây dựng đường chuẩn xác định hàm lượng sắt 26 2.5.2.1 Chuẩn bị hóa chất 26 2.5.2.2 Xây dựng đường chuẩn 27 2.5.3 Xác định hàm lượng sắt mẫu chuẩn hỗn hợp Fe 3+ 28 (20.08 mg/l) Mn2+ 0.58 mg/l 2.5.3.1 Pha dung dịch mẫu chuẩn hỗn hợp Fe 3+ (20,08 mg/l) 28 Mn2+ 0,58 mg/l 2.5.3.2 Hấp phụ Fe3+ hỗn hợp dung dịch chuẩn Fe3+ 20,08 28 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l hạt nano sắt (III) oxit …… 2.5.3.3 Xác định hàm lượng Fe 3+ hỗn hợp dung dịch chuẩn 29 Fe3+ 20,08 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l sau hấp phụ hạt nano sắt (III) oxit 2.6 Xác định hàm lượng mangan nước trước sau 29 hấp phụ hạt nano oxit sắt 2.6.1 Xác định hàm lượng Mn phương pháp trắc quang 29 2.6.2 Xây dựng đường chuẩn KMnO4 30 2.6.2.1 Chuẩn bị hóa chất 30 2.6.2.2 Xây dựng đường chuẩn 30 2.6.3 Xác định hàm lượng sắt mẫu chuẩn hỗn hợp Fe 3+ 20,08 31 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l 2.6.3.1 Pha dung dịch mẫu chuẩn hỗn hợp Fe 3+ (20,08 mg/l) 31 Mn2+ 0,58 mg/l 2.6.3.2 Hấp phụ Mn 2+ hỗn hợp dung dịch chuẩn Fe 3+ 20,08 31 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l hạt nano sắt (III) oxit 2.6.3.3 Xác định hàm lượng Mn 2+ hỗn hợp dung dịch 32 chuẩn Fe3+ 20,08 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l sau hấp phụ 0,1 gam hạt nano sắt (III) oxit CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Kết phân tích nhiệt mẫu gel 33 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung mẫu 34 3.3 Xác định hàm lượng Fe 3+, Mn2+ hỗn hợp dung dịch 38 chuẩn Fe3+ 20,08 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l sau hấp phụ hạt nano sắt (III) oxit 3.4 Xác định hàm lượng Mn2+ hỗn hợp dung dịch chuẩn 39 Fe3+ 20,08 mg/l Mn2+ 0,58 mg/l sau hấp phụ hạt nano sắt (III) oxit KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 MỞ ĐẦU Sự phát minh thuyết lượng tử cấu tạo trình biến đổi vật chất vào năm đầu kỷ thứ 20 dẫn đường cho phát triển nhiều nghành khoa học tự nhiên lĩnh vực công nghệ cao suốt kỷ trước Bước vào kỷ thứ 21 nhà vật lý lại mở kỷ nguyên lịch sử phát triển khoa học công nghệ giới: đời khoa học công nghệ nano Công nghệ nano ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước hạt vật liệu quy mô từ đến 100 nanomet (1 nm = 10-9 m) Trong công nghệ nano, hạt nano ứng dụng sớm nhất, nhiều đa dạng Hạt nano phần quan trọng vật liệu nano Oxit sắt dạng hạt (cỡ micromet) ứng dụng nhiều công nghệ sơn, chất màu, chất độn Khi giảm kích thước hạt oxit sắt từ xuống kích thước nano (< 100 nm) từ chế tạo chất lỏng từ mở triển vọng có nhiều ứng dụng công nghệ sinh học, bôi trơn động cơ, in ấn môi trường…Đặc biệt công nghệ xử lý nước uống y học tìm tế bào ung thư… Vật liệu hạt oxit sắt có kích thước nano điều chế theo nhiều phương pháp khác Phương pháp vật lí với cơng đoạn chế hố nghiền trộn nung ép nhiều lần, có nhược điểm sản phẩm dễ bị nhiễm bẩn, thành phần dễ bị thay đổi, kích thước hạt khơng đều, thành phần không đồng nhất, bề mặt riêng nhỏ, ô nhiễm môi trường Gần để điều chế vật liệu từ nano người ta thường sử dụng phương pháp hố học Có nhiều phương pháp hố học để điều chế loại vật liệu như: phương pháp tổng hợp phản ứng pha rắn, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol- gel, phương pháp thuỷ nhiệt…với ưu điểm cho sản phẩm có độ tinh khiết cao, chất đầu phân bố đồng đều, nhiệt độ phản ứng thấp, kích thước hạt sản phẩm nhỏ, tránh ngưng tụ hạt trình thiêu kết, vật liệu thu chất lượng cao… Việc tổng hợp theo phương pháp sol – gel sử dụng thành cơng, đặc biệt vật liệu từ Trong oxit sắt loại vật liệu có nhiều ưu điểm vật liệu từ, việc sử dụng để xử lí kim loại nặng mơi trường nước nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Vì chọn đề tài: “Tổng hợp oxit Fe2O3 cấp hạt nano phương pháp sol - gel, khảo sát khả hấp phụ ion Fe (III), Mn (II) mơi trường nước” làm đề tài khố luận tốt nghiệp Đại học – chun ngành hố vơ cơ, với mong muốn làm sáng tỏ số tính ưu việt loại vật liệu nhằm ứng dụng rộng rãi thực tế CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc sắt oxit [16] Oxit sắt (III) (hêmatit) có cấu tạo giống tinh thể corun dạng thù hình Al2O3 αAlAl2O3 dạng thù hình bền vững Tinh thể corun gồm phân mạng xếp khít lục phương ion oxi Cation Al3+ chiếm 2/3 hốc bát diện, hốc T+ T- bỏ trống o 10 O2 · · · o o o o o o · O2- Al 3+ o Al3+ Hình Cấu trúc tinh thể corun Al2O3 Khoảng cách hai lớp xếp khít oxi 2,16 A Tế bào nguyên tố thuộc hệ mặt thoi, chiều dài cạnh 5,12 A 0, góc nhọn cạnh 5017’ Tế bào tố có ion nhơm ion oxi 1.2 Kiến trúc tinh thể oxit sắt [9,16] Cả oxit sắt hợp chất không hợp thức dễ biến đổi lẫn nhau, qua sơ đồ: Fe2O3 Fe3O4 FeO Sự tăng nhiệt độ tác dụng chất khử làm cho cân chuyển dịch theo chiều thuận, ngược lại tăng lượng khí oxi làm cho cân chuyển dịch theo chiều nghịch Nguyên nhân sai lệch với thành phần hợp thức biến đổi lẫn Fe3O4, FeO Fe2O3- γ có kiến trúc tinh thể giống Trong tinh thể ion O2- xếp sít kiểu lập phương tạo nên lỗ trống bát diện, tâm lỗ trống ion Fe 2+ ion Fe3+ Trong tinh thể FeO có kiến trúc kiểu NaCl, ion Fe 2+ phối trí ion O2- ion O2- phối trí ion Fe2+, nghĩa lỗ trống bát diện ion Nếu tất lỗ trống bát diện có ion Fe2+ oxit sắt có cơng thức lí tưởng FeO Khi số ion Fe2+ thay 2/3 ion Fe3+, tinh thể có kiến trúc khuyết oxit có cơng thức Fe1-xO ( thường x ~ 0,05) Nếu trình thay tiếp tục tổng số 2/3 số ion sắt Fe3+, chiếm lỗ trống bát diện tinh thể có kiến trúc khuyết oxit có cơng thức Fe 3O4 Ion Fe3+ có bán kính 0,64 A0 bé Fe2+ có bán kính 0,76 A0 nên chiếm lỗ trống tứ diện bé ... nặng môi trường nước nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Vì chúng tơi chọn đề tài: ? ?Tổng hợp oxit Fe2O3 cấp hạt nano phương pháp sol - gel, khảo sát khả hấp phụ ion Fe (III), Mn (II) môi trường. ..2 Trờng đại học vinh KHOA HOá HọC === === Tổng hợp oxit Fe2O3 cấp hạt nano phơng pháp sol- gel, khảo sát khả hấp phụ ion Fe(III), Mn(II) môi trờng nớc KHóA LUậN TốT NGHIệP ĐạI HọC Chuyên... 1.6.2 Phương pháp đồng kết tủa 1.6.3 Phương pháp sol – gel 1.7 Sắt nước, xử lý sắt phương pháp hấp phụ 12 hạt nano sắt (III) oxit 1.7.1 Sự tồn sắt môi trường nước