CHƢƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả khảo sỏt một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự hỡnh thành pha của vật liệu
3.1.1. Vật liệu oxit nano Fe2O3
3.1.1.1. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha tinh thể
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quỏ trỡnh hỡnh thành pha của nano oxit sắt
Giản đồ phõn tớch nhiệt của gel sau khi sấy khụ được chỉ ra ở hỡnh 3.2. Từ hỡnh 3.2 trờn giản đồ phõn tớch nhiệt của mẫu gel ta thấy một hiệu ứng giảm khối lượng 4,40 % trờn đường TG ứng với khoảng nhiệt độ từ 30oC đến 100οC, sự giảm khối lượng này là do sự mất nước trờn bề mặt mẫu gel. Tiếp theo là cỏc hiệu ứng giảm khối lượng 74,85 % và 10,54 % ứng với cỏc đỉnh tỏa nhiệt ở 178,52 οC; 196,38 οC và 284,39 οC trờn đường DTA trong khoảng nhiệt độ từ 100 oC đến 300 οC. Sự giảm khối lượng này cú thể là do sự phõn hủy cỏc chất hữu cơ cú trong mẫu gel. Khi nhiệt độ tăng hơn 350 οC khối lượng của mẫu gần như khụng thay đổi. Lỳc này cú thể gỏn cho sự hỡnh thành pha nano oxit sắt Fe2O3 cần tổng hợp.
Hỡnh 3.1. Giản đồ phõn tớch nhiệt của mẫu gel
Mẫu gel được nung ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau 200 oC, 300 oC, 400 oC, 500 oC, 600 oC. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của cỏc mẫu được chỉ ra trong hỡnh 3.2.
Hỡnh 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ở cỏc nhiệt độ nung khỏc nhau
Kết quả chỉ ra trong hỡnh 3.3 cho thấy, ở nhiệt độ 200 oC đó bắt đầu hỡnh thành đơn pha của nano oxit sắt Fe2O3 tuy nhiờn ở nhiệt độ lớn hơn 400 oC đơn pha của oxit sắt Fe2O3 được hỡnh thành rừ ràng. Ở đõy ta chọn nhiệt độ nung 500 oC cho cỏc thớ nghiệm tiếp theo do cú đỉnh pic rộng và rừ hơn.
b. Ảnh hưởng của pH tạo gel
Kết quả phõn tớch giản đồ nhiễu xạ tia X của cỏc mẫu được chỉ ra trong hỡnh 3.3.
Hỡnh 3.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở cỏc giỏ trị pH khỏc nhau
Kết quả giản đồ nhiễu xạ Rơnghen trong hỡnh 3.4 cho thấy trong khoảng pH = 14 đều hỡnh thành đơn pha của nano oxit sắt Fe2O3. Như vậy pH khụng ảnh hưởng đỏng kể đến sự tạo thành pha của nano oxit sắt Fe2O3. Tuy nhiờn, pH quỏ thấp sẽ phỏ mạch polime của PVA làm giảm sự phõn tỏn đồng nhất của cation kim loại trong mạng. Do đú, gel thu được khụng xốp. Mẫu tổng hợp từ gel ở pH = 2 cú đỉnh nhiễu xạ cao hơn và rộng hơn được chọn để tổng hợp cỏc mẫu trong nghiờn cứu tiếp theo. Vỡ vậy, chọn pH tạo gel thớch hợp là 2.
Gúc quột (độ) Cường độ Gúc quột (độ) Cường độ
c. Ảnh hưởng của tỉ lệ AT:PVA
Kết quả phõn tớch giản đồ nhiễu xạ tia X được chỉ ra trong hỡnh 3.4.
Hỡnh 3.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở cỏc tỉ lệ AT:PVA khỏc nhau
Kết quả hỡnh 3.5 cho thấy ở cỏc giỏ trị tỉ lệ theo thể tớch AT:PVA khỏc nhau vẫn hỡnh thành cỏc pic đơn pha của oxit sắt Fe2O3. Như vậy tỉ lệ theo thể tớch AT:PVA khụng ảnh hưởng đỏng kể đến sự tạo thành pha của nano oxit sắt Fe2O3. Mẫu điều chế với tỉ lệ theo thể tớch AT:PVA = 1:1 cú đỉnh nhiễu xạ cao hơn và rộng hơn được chọn để tổng hợp cỏc mẫu trong nghiờn cứu tiếp theo. Vỡ vậy, chọn tỉ lệ theo thể tớch AT:PVA tạo gel thớch hợp là 1:1 để thực hiện cỏc thớ nghiệm tiếp theo.
d. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
Kết quả phõn tớch mẫu được chỉ ra ở hỡnh 3.5.
Hỡnh 3.5. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở cỏc nhiệt độ tạo gel khỏc nhau
Gúc quột (độ) Cường độ Gúc quột (độ) Cường độ
Kết quả hỡnh 3.5 cho thấy ở cỏc giỏ trị về nhiệt độ tạo gel lần lượt 40 oC, 60 oC, 80 oC, 100 oC khỏc nhau vẫn hỡnh thành cỏc pic đơn pha của nano oxit sắt Fe2O3. Như vậy giỏ trị về nhiệt độ tạo gel khụng ảnh hưởng đỏng kể đến sự tạo thành pha của nano oxit sắt Fe2O3. Tuy nhiờn, khi nhiệt độ tạo gel cao (100oC) trong quỏ trỡnh điều chế, nước bay hơi rất nhanh nờn gel tạo thành khụng được xốp, phồng, khụng thuận lợi cho sự tạo hạt kớch thước nhỏ. Mẫu điều chế với nhiệt độ tạo gel 80o
C cú đỉnh nhiễu xạ cao hơn và rộng hơn được chọn để tổng hợp cỏc mẫu trong nghiờn cứu tiếp theo. Vỡ vậy, chọn nhiệt độ tạo gel thớch hợp là 80oC để tiến hành cỏc khảo sỏt tiếp theo.
e. Ảnh hưởng của tỉ lệ sắt (III):(AT + PVA) theo thể tớch
Kết quả phõn tớch giản đồ nhiễu xạ tia X được chỉ ra trong hỡnh 3.6.
Hỡnh 3.6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở cỏc tỉ lệ Fe3+/(AT+PVA) khỏc nhau
Kết quả hỡnh 3.6 cho thấy ở cỏc giỏ trị tỉ lệ theo thể tớch Fe3+
/(AT+PVA) = 6:1, 3:1, 1:1, 1:3, 1:6 khỏc nhau vẫn hỡnh thành cỏc pic đơn pha của nano oxit sắt Fe2O3. Như vậy tỉ lệ theo thể tớch Fe3+/(AT+PVA) khụng ảnh hưởng đỏng kể đến sự tạo thành pha của nano oxit sắt Fe2O3. Mẫu điều chế với tỉ lệ theo thể tớch Fe3+/(AT+PVA) = 1:3 cú đỉnh nhiễu xạ cao hơn và rộng hơn được chọn để tổng hợp cỏc mẫu trong nghiờn cứu tiếp theo. Vỡ vậy, chọn tỉ lệ theo thể tớch Fe3+/(AT+PVA) tạo gel thớch hợp là 1:3 để thực hiện cỏc thớ nghiệm tiếp theo.
3.1.1.2. Một số đặc trưng của mẫu tối ưu
a. Hỡnh thỏi học, diện tớch bề mặt riờng của oxit Fe2O3
Qua kết quả khảo sỏt trờn, mẫu Fe2O3 được tổng hợp ở điều kiện tối ưu: pH = 2, tỉ lệ theo thể tớch Fe3+
/(AT+PVA) = 1/3, nhiệt độ tạo gel 80 oC; tỉ lệ theo thể tớch AT/PVA= 1/1, nhiệt độ nung ở 5000C trong 2 giờ. Ảnh hiển vi điện tử quột (SEM) và truyền qua của mẫu (hỡnh 3.7) cho thấy hạt thu được cú kớch thước khỏ đồng đều (20nm).
Gúc quột (độ) Cường
Hỡnh 3.7. Ảnh SEM (a) và TEM (b) của oxit Fe2O3
(a) (b)
Kớch thước hạt tinh thể đường kớnh trung bỡnh tớnh theo phương trỡnh Scherrer là 24,89 nm. Diện tớch bề mặt riờng của Fe2O3 được xỏc định bằng phương phỏp BET trờn mỏy là 35,5m2/g. Tinh thể cú cấu trỳc tứ phương.
Oxit Fe2O3 điều chế bằng phương phỏp đốt chỏy gel PVA cú kớch thước hạt nhỏ hơn so với điều chế bằng phương phỏp kết tủa (35-150 nm) [45] và diện tớch bề mặt riờng lớn hơn so phương phỏp đốt chỏy sử dụng tiền chất là EDTA (20 m2/g) [51].
b. Xỏc định điểm điện tớch khụng của oxit nano Fe2O3
Kết quả xỏc định điểm điện tớch khụng của oxit nano Fe2O3 thụng qua biểu đồ sự phụ thuộc của ΔpHi vào pHi của oxit Fe2O3 được biểu diễn trờn hỡnh 3.8.
Bảng 3.1. Giỏ trị pHcủa dung dịch hấp thụ tại cỏc khoảng pH khỏc nhau
pHi pHf pH 2,05 2,15 -0,1 3,91 5,06 -1,25 5,02 6,47 -1,45 6,01 6,84 -0,83 7,3 6,45 0,85 7,94 6,29 1,65 9,07 6,83 2,24 10 8,76 1,24
Hỡnh 3.8. Đồ thị xỏc định điểm điện tớch khụng của oxit nano Fe2O3
3.1.1.3. Đỏnh giỏ khả năng hấp phụ asen trờn Fe2O3
a. Ảnh hưởng của pH
Cỏc thớ nghiệm được tiến hành với khối lượng oxit Fe2O3 là 0,05g, nồng độ As(V) ban đầu là 1,00 mg/l, pH thay đổi từ 4,5 đến 8,5 khuấy liờn tục trong 150 phỳt. Kết quả được chỉ ra ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với As(V) của oxit nano
Fe2O3 STT pH Nồng độ ban đầu Ci (mg/l) Nồng độ lỳc sau Cf (mg/l) Hiệu suất hấp phụ H (%) 1 4,5 1,00 0,42 58,0 2 5,5 1,00 0,27 73,0 3 6,0 1,00 0,19 81,0 4 7,0 1,00 0,13 87,0 5 8,0 1,00 0,24 76,0 6 8,5 1,00 0,26 74,0
Từ bảng cho thấy, khi pH tăng từ 4,5 đến 7,0 hiệu suất hấp phụ tăng dần. Điều đú là do trong khoảng pH này As(V) tồn tại chủ yếu ở dạng anion H2AsO4-, HAsO42- và khi pH tăng dần, dạng anion HAsO42- ngày càng tăng [59]. Khi pH tăng từ 7,0 đến 8,5, hiệu suất hấp phụ giảm do điện tớch bề mặt của vật liệu đó thay đổi vỡ giỏ trị pHPZC của Fe O bằng 6,7. Khi pH < pH thỡ bề mặt vật liệu tớch điện dương, thuận lợi cho
sự hấp phụ anion [43]. Trong khoảng pH = 6,0 ữ 7,0, hiệu suất hấp phụ As(V) của vật liệu là cao nhất (81% - 87%).
b. Xỏc định phương trỡnh đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
Cho 0,05g mẫu vào bỡnh tam giỏc chứa 100ml dung dịch asen cú nồng độ xỏc định 1mg/l, khuấy đều trong 3h, sau đú xỏc định nồng độ asen cũn lại trong dung dịch. Cỏc kết quả hấp phụ asen trờn Fe2O3 được đưa ra trong bảng 3.3 và hỡnh 3.10
Bảng 3.3. Dung lượng hấp phụ của Fe2O3 kớch thước nanomet đối với As(V)
STT Nồng độ ban đầu Ci (mg/l) Nồng độ lỳc sau Cf (mg/l) Dung lƣợng hấp phụ q (mg/g) 1 1,13 0,21 1,83 2 5,14 1,61 7,04 3 10,27 4,12 12,34 4 20,42 8,81 23,17 5 40,13 24,32 31,57 6 80,58 63,26 34,62 7 100,24 82,52 35,41 8 120,42 102,42 35,99
Sự hấp phụ As(V) của Fe2O3 kớch thước nanomet được mụ tả khỏ chớnh xỏc bằng mụ hỡnh đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir với hệ số hồi qui là 99,64%.
Dung lượng hấp phụ cực đại tớnh theo mụ hỡnh Langmuir đối với As(V) là 35,097 mg/g.