Nồng độ xúc tác Co(CH3COO)2 (M)
Khối lượng vật liệu tổng hợp được (g) 0,02 0,300 0,05 0,434 0,10 0,639 0,15 0,939 0,30 1,136 0,40 1,145
Nhìn vào bảng 9 ta thấy khi tăng hàm lượng xúc tác từ 0,02M đến 0,30M thì khối lượng vật liệu thu được tăng nhanh. Khi hàm lượng xúc tác tiếp tục tăng thì khối lượng vật liệu thu được khơng tăng thêm nữa. Khi hàm lượng xúc tác lớn thì kích thước hạt của vật liệu lớn. Vì vậy chúng tôi tiến hành chọn nồng độ xúc tác thích hợp là 0,3M.
3.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT
Tải trọng hấp phụ Pb2+ của vật liệu tổ hợp là 24,51 mg/g. Kết quả này là chưa cao nên chúng tơi tiến hành biến tính vật liệu tổ hợp SiO2/CNT. Kết quả thu được như sau: cứ 1 gam vật liệu sau khi biến tính ta thu được 0,6 gam vật liệu đã biến
tính.
3.4. Khảo sát, đánh giá đặc tính của vật liệu
3.4.1. Kết quả phân tích ảnh SEM
Vật liệu nano silica sau khi tổng hợp được phân tích kích thước bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Ở đây tôi không sử dụng phương pháp phân bố kích thước hạt do khi phân tích dạng bột nano silica kết tụ và cho kết quả khơng chính xác.
Hình 18. Ảnh SEM của nano silica
Kết quả thu được từ hình 18 cho thấy kích thước của hạt nano silica trong khoảng 20 – 30nm và phân bố tập trung. Trên bề mặt nano silica có cấu trúc xốp.
Kết quả phân tích SEM của vật liệu nano composite được trình bày trên hình 19.
Hình 19. Ảnh SEM của nano composite SiO2/CNT
Kết quả từ ảnh SEM cho thấy CNT tổng hợp trên cở sở xúc tác coban có đường kính tập trung trong khoảng 40 – 50nm.
3.4.2. Kết quả phân tích XRD
Kết quả phân tích XRD của vật liệu nano composite được trình bày trên hình 20.
Hình 20. Kết quả đo XRD của vật liệu nano composite
Từ kết quả đo XRD trên có thể thấy silic đioxit tồn tại dưới dạng vơ định hình, hai pic tại 2 theta ~28o và 44o thuộc về CNT đa lớp.
3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh ion Pb2+ của vật liệu
Do thời gian có hạn nên trong q trình làm chúng tơi chỉ tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh của vật liệu với ion Pb2+.
3.5.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Pb2+
Lấy 6 bình tam giác dung tích 250 ml, đánh số từ 1 đến 6 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,05g vật liệu CNT/SiO2 đã biến tính và 50ml dung dịch Pb2+ 80ppm (C0). Tiến hành lắc trên máy lắc với tốc độ quay là 150 vòng/phút trong các khoảng thời gian khác nhau, lọc thu lấy phần dung dịch. Xác định nồng độ Pb2+ còn lại trong dung dịch (Ct), kết quả được trình bày ở bảng 10:
Bảng 10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb2+
Thời gian (phút) C0 (mg/l) Ct (mg/l) Hiệu suất (%)
10 80 67,79 15,26 20 80 59,25 25,94 30 80 45,02 43,73 60 80 38,72 51,60 90 80 37,81 52,74 120 80 37,49 53,14
Hình 21. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu
Từ kết quả ở bảng 11 và hình 21 ta thấy trong khoảng thời gian khảo sát từ (10-120 phút), từ 10 đến 60 phút đầu dung lượng hấp phụ của vật liệu đã biến tính tăng nhanh, từ 60 phút trở đi dung lượng hấp phụ tăng chậm và tương đối ổn định. Do đó, chúng tơi cho rằng thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 60 phút và chọn khoảng thời gian này cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+
Dựa vào hình 9 ta thấy rằng khi pH > 7 thì đã có một lượng chì bị kết tủa. Vì vậy chúng tơi chỉ tiến hành khảo sát ở pH < 7.
Lấy 6 bình tam giác dung tích 250 ml, đánh số từ 1 đến 6 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,05g vật liệu CNT/SiO2 đã biến tính khuấy trong 50ml dung dịch Pb2+ 60ppm (C0) được điều chỉnh pH ở các giá trị khác nhau. pH của các dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch HCl 20% hoặc dung dịch NaOH 0,1M. Tiến hành lắc trên máy lắc với tốc độ quay là 150 vòng/phút, sau 60 phút lấy lọc lấy dung dịch xác định nồng độ Pb2+ còn lại trong dung dịch (Ct) và tính tải trọng hấp phụ Q (mg/g) ở các pH khác nhau.
Bảng 11. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+
Stt pH C0 (mg/l) Ct (mg/l) Q (mg/g) 1 1,82 60 56,27 3,73 2 2,50 60 51,08 8,92 3 3,65 60 45,36 14,64 4 4,47 60 36,80 23,20 5 5,59 60 12,17 47,83 6 6,70 60 4,30 55,70
Từ kết quả trên ta thấy vật liệu hấp phụ tốt nhất ở pH từ 5,5 đến 7. Do đó ở các nghiên cứu tiếp theo chỉ tiến hành ở pH từ 6 đến 7. Khả năng hấp phụ Pb2+ tăng theo pH có thể được giải thích là do ở pH ≥ 7 chì dễ dàng kết tủa, ở mơi trường dư H+ làm giảm điện tích âm trên bề mặt của vật liệu và do đó khả năng hấp phụ chì sẽ giảm đi.
3.5.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+của vật liệu
Lấy 6 bình tam giác dung tích 250 ml, đánh số từ 1 đến 6 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,05g vật liệu CNT/SiO2 đã biến tính khuấy trong 100 ml dung dịch Pb2+, có nồng độ ban đầu xác định (C0). Sau 60 phút lọc, xác định nồng độ Pb2+ còn lại trong dung dịch (Ct) từ đó tính được tải trọng hấp phụ của vật liệu Q (mg/g). Kết quả được miêu tả ở bảng 12 và hình 23.
Bảng 12. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb2+
Stt C0 ( mg/l) Ct (mg/l) Q (mg/g) Ct/Q 1 10 1,31 17,38 0,075 2 20 5,68 28,64 0,198 3 40 18,29 43,42 0,421 4 60 32,95 54,10 0,609 5 80 47,18 65,64 0,719 6 100 64,19 71,62 0,896
Hình 23. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với Pb2+
Hình 24. Đường thẳng xác định hệ số của phương trình Langmuir với Pb2+
Từ hình 24 tính được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb2+ là: Qmax = 1/ 0,0126 = 79,38 mg/g
- Do diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp của các hạt nano silica thuận lợi cho việc hấp phụ Pb2+.
- Dựa trên sự tương tác Vander Waals giữa các nguyên tử cacbon của CNT với ion Pb2+.
- Do lực hút tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của CNT với ion Pb2+.
3.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb2+
Lấy 15 bình tam giác dung tích 250 ml, đánh số từ 1 đến 15 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,05g vật liệu CNT/SiO2 đã biến tính khuấy trong 100ml dung dịch Pb2+ với các nồng độ xác định (C0),ở các nhiệt độ lần lượt là 25, 35 và 45oC. Tiến hành lắc trên máy lắc với tốc độ quay là 150 vòng/phút, sau 60 phút lọc lấy dung dịch xác định nồng độ Pb2+ còn lại trong dung dịch (Ct) và tính tải trọng hấp phụ Q (mg/g) ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả được trình bày ở bảng 13 và hình 25.
Bảng 13. Kết quả khảo sát nhiệt độ tối ưu hấp phụ Pb2+
C0 (mg/l) 250C 350C 450C Ct (mg/l) Q (mg/g) Ct (mg/l) Q (mg/g) Ct (mg/l) Q (mg/g) 10 1,35 17,30 1,12 17,76 1,04 17,92 20 5,92 28,16 4,87 30,26 4,68 30,64 30 9,38 41,24 9,03 41,94 8,87 42,26 40 17,51 44,98 16,61 46,78 15,79 48,42 60 33,25 53,50 32,67 54,66 31,08 57,84
Hình 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu
Kết quả nghiên cứu tại các nhiệt độ 25oC, 35oC, 45oC cho thấy dung lượng hấp phụ chì tăng theo chiều tăng của nhiệt độ. Tại nhiệt độ 45oC vật liệu hấp phụ Pb2+ tốt hơn 35oC. Tuy nhiên ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng hấp phụ là khơng nhiều do bản chất của q trình hấp phụ vật lí.
3.6. Đánh giá khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu
3.6.1. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của CNT
Lấy 6 bình tam giác dung tích 250 ml, đánh số từ 1 đến 6 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,05g CNT khuấy trong 50 ml dung dịch Pb2+, có nồng độ ban đầu xác định (C0). Sau 60 phút lọc, xác định nồng độ Pb2+ còn lại trong dung dịch (Ct) từ đó tính được tải trọng hấp phụ của vật liệu Q (mg/g). Kết quả được miêu tả ở bảng 14.