Thớ nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ phũng và với thời gian hấp phụ khỏc nhau.
- Đối với As: Cho 0.4g chất hấp phụ vào 150ml dung dịch As (III) cú
pH = 6,5 .Khuấy dung dịch bằng mỏy khuấy từ. Sau mỗi một giờ đem xỏc định nồng độ As cú trong dung dịch. Lặp lại cho đến khi nồng độ As trong dung dịch khụng thay đổi.
4.4.1. Xỏc định dung lượng hấp phụ cực đại của MCM-41 đối với As (III)
Kết quả nghiờn cứu được chỉ ra ở bảng số liệu dưới đõy.
Bảng 4.6. X ỏc định dung lượng hấp phụ cực đại của MCM-41 với As (III)
Nồng độ đầu co (mg/l) Thể tớch (ml) Lượng chất hấp phụ (g) Nồng độ cõn bằng c (mg/l) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 0,025 50 0,4 0,013 0,00450 0,084 50 0,4 0,042 0,01575 0,133 50 0,4 0,075 0,02175 0,145 50 0,4 0,080 0,02438 0,188 50 0,4 0,103 0,03169
68 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250 1 /q 1/C Equation y = a + b*x Adj. R-Square 0.99569
Value Standard Error B Intercept 3.98737 3.44853 B Slope 2.82024 0.09275
Hỡnh 4.6.Xỏc định dung lượng hấp phụ cực đại của MCM-41 đối với As (III)
Kết quả cho ta tớnh được dung lượng hấp phụ cực đại của MCM-41 đối với As (III) là 0,251mg/g.
4.5. Nghiờn cứu khả năng hấp thụ Asen của vật liệu nano Fe2O3vụ định hỡnh trờn
nền vật liệu mang MCM-41.
Nghiờn cứu dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu nano Fe2O3 vụ định hỡnh trờn nền vật liệu mang MCM-41. Tiến hành kết hợp 2 loại vật liệu Fe2O3 và vật liệu MCM-41 theo cỏc tỉ lệ khỏc nhau. Sau đú sử dụng vật liệu này để hấp thụ Asen.
Nghiờn cứu dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu 10% Fe2O3 và vật liệu MCM-41.
Nồng độ Asen(III) ban đầu C0 (mg/l) Thể tích (ml) L-ợng chất hấp phụ (g) Nồng độ Asen(III) cõn bằng C (mg/l) Dung lượng hấp phụ q (mg/g) 1/q 1/C 0,4355 1000 0,082 0,3732 0,7587 1,3180 0,0927
69 0,3832 1000 0,068 0,3318 0,7559 1,3228 0,0944 0,3323 1000 0,060 0,2875 0,7470 1,3386 0,0960 0,3602 1000 0,052 0,3217 0,7386 1,3538 0,0977 0.092 0.093 0.094 0.095 0.096 0.097 0.098 1.30 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1 /q 1/C Equation y = a + b*x Adj. R-Square 0.93264
Value Standard Error B Intercept 0.62766 0.10822 B Slope 7.41219 1.13652
Hỡnh 4.7. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu 10% Fe2O3 và vật liệu MCM-41. Từ độ thị xỏc định được đường thẳng y= 0,62766+ 7,4129*x
Từ đú ta cú 1/qmax= 0,62766 nờn qmax= 1,5932 mg/g
Như vậy việc kết hợp vật liệu nano Fe2O3 trờn vật liệu mang MCM-41 mang lại khả năng hấp thụ asen tốt hơn hẳn so với việc sử dụng riờng vật liệu MCM-41.
Bảng 4.5: Dung lượng hấp phụ Asen(III) của một số chất hấp phụ khỏc.
Chất hấp phụ qmax (mg/g)
Asen(III).
70 Fe2O3 vụ định hỡnh 12,008 Xỏc định ở phần 4.21. α-Fe2O3 9.0 ± 1.6 [20] Fe3O4 9.6 ± 2.4 [20] FeOOH 3.29 [21] MCM-41 0,251 Xỏc định ở phần 4.4.1
Iron-oxide-coated natural rock (IOCNR)
0.36 [24]
10% Fe2O390%MCM41 1,5932 Xỏc định ở phần 4.5
4.6. Xõy dựng mụ hỡnh lọc nước sử dụng vật liệu nano vụ định hỡnh trờn nền vật liệu mang MCM-41. liệu mang MCM-41.
4.6.1. Chế tạo cột lọc nước
Thiết bị được chế tạo gồm ba cột mắc nối tiếp, đặt trong một tủ đựng bằng thộp khụng rỉ.Cột được chế tạo bằng nhựa PVC để tiết kiệm chi phớ.Thiết bị quy mụ hộ gia đỡnh được chế tạo gồm ba cột mắc nối tiếp, trong mỗi cột được nhồi cỏt kỹ thuật và vật liệu hấp phụ.Khối lượng vật liệu hấp phụ nhồi trong ba cột đó được tớnh toỏn ở trờn.Cỏc cột hấp phụ đều cú hai mặt bớch để tiện cho thao tỏc thỏo lắp, thay vật liệu và làm sạch.Thiết bị được để gọn trong tủ làm từ vật liệu thộp khụng rỉ, giỏ thành rẻ, cú thể phục vụ được người dõn.
Thiết bị được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng. Nước từ bể chứa được lọc qua cột, tốc độ dũng được khống chế bằng van.Sau một thời gian vận hành, vật liệu hấp phụ sẽ được thay thế rất dễ dàng.
71
Hỡnh 4.8. Mụ hỡnh cột lọc sử dụng vật liệu Fe2O3 và vật liệu MCM-41
4.6.2. Chế tạo thiết bị hấp phụ
Tớnh toỏn thiết bị hấp phụ
Thiết bị hấp phụ quy mụ hộ gia đỡnh, ước tớnh lưu lượng nước cần lọc để ăn uống là 0.5 m3/ngày
72
.
Hỡnh 4.9. Mụ hỡnh bể lọc nước gia đỡnh, sử dụng cột lọc chứa vật liệu nano Fe2O3 và MCM-41 Thể tớch của cột hấp phụ là: 3 2 10 75 . 12 3 5 . 0 4 1 . 0 x x x x VR (m3)
1. Thời gian tiếp xỳc
55 . 2 05 . 0 10 75 . 12 3 x Q V t R (h) 2. Thể tớch vật liệu
73
SF AURxAOP
VVL ( )
trong đú AUR là lượng vật liệu hấp phụ tiờu thụ hàng ngày (Adsorbent usage rate) và AOP là thời gian thay vật liệu (Adsorbent change out period); SF là hệ số an toàn (safety factor, thường lấy từ 1.2 đến 1.5).
) / ( 6 . 12 ) / ( 59 . 1 ) / ( 500 ) / ( 04 . 0 0 ngày g g mg ngày l x l mg q Q C AUR
với Co là nồng độ As ban đầu, Q là lưu lượng dũng chảy và q là tải trọng hấp phụ As ứng với nồng độ Co. Thiết bị được tớnh theo As vỡ As là nguyờn tố nguy hiểm và trong bảng phõn tớch ban đầu nhiều điểm phõn tớch cú nồng độ As cao.
Nếu dự kiến thay vật liệu 1 thỏng 1 lần, tức là 30 ngày 1 lần ta cú:
) ( 298 . 0 1522 2 . 1 ) 30 6 . 12 ( l x x VVL
Vậy thể tớch vật liệu hấp phụ cần thiết là 0.298 lớt. 3. Khối lượng vật liệu hấp phụ
6 . 453 ) / ( 1522 ) ( 298 . 0 V l x g l mVL VL (g)
74
KẾT LUẬN
Sau quỏ trỡnh nghiờn cứu chỳng tụi đó thu được một số kết quả như sau :
1. Chế tạo thành cụng vật liệu Fe2O3 vụ định hỡnh bằng phương phỏp lũ vi súng, vật liệu Zeolite MCM-41và tiến hành kết hợp 2 loại vật liệu này.
2. Khảo sỏt cấu trỳc vật liệu Fe2O3 bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ở tại cỏc nhiệt độ nung khỏc nhau, xỏc định được kớch thước trung bỡnh khi nung tại nhiệt độ 600oC, xỏc định hỡnh dạng của cỏc hạt nano và kớch thước của hạt bằng kớnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR), phổ tỏn sắc năng lượng tia X (EDX).
3. Khảo sỏt cấu trỳc của vật liệu Zeolite MCM- 41 bằng phổ nhiễu xạ tia X
(XRD), Bằng ph-ơng pháp ghi đ-ờng hấp phụ giải hấp N2 chúng
tôi thu đ-ợc thông số về diện tích bề mặt nh- sau: SBET= 637.9850 (m2/g) , xỏc định đ-ợc kích th-ớc mao quản của MCM- 41,DBJH= 36.773 Å.
4. Khảo sỏt được sự ảnh hưởng của thời gian, nồng độ chất ban đầu và PH lờn quỏ trỡnh hấp phụAsen(III) của vật liệu Fe2O3, MCM-41.
5. Kết quả nghiờn cứu cõn bằng 2 phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir và phương trỡnh đẳng nhiệt Freundlich cho thấy: dung lượng hấp phụ cực đại tại PH ≈ 3 của Fe2O3 vụ định hỡnh đối với Asen(III) là 12.008mg/g, của vật liệu MCM-41 là 0,251mg/g và vật liệu 10% Fe2O3 90%MCM-41 là 1,5932 mg/g.
6. Xõy dựng mụ hỡnh lọc nước sử dụng vật liệu nano vụ định Fe2O3 hỡnh trờn nền vật liệu mang MCM-41.
Kết quả cụng bố: 01 bài bỏo quốc tế
Nguyen Dang Phu a, Trinh Xuan Sy a, Hoang Thanh Cao a, Nguyen Ngoc Dinh a, Le Van Thien b,Nguyen Minh Hieu a, Nguyen Hoang Nam a, Nguyen Hoang
Haia,Amorphous iron-chromium oxide nanoparticles prepared by sonochemistry,Journal of Non-Crystalline Solids 358 (2012) 537–543
75
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đỗ Văn Ái, Mai Trọng Nhuận, Nguyễn Khắc Vinh(2010), “Một số đặc điểm phõn bố Asen trong tự nhiờn và vấn đề ụ nhiễm Asen trong mỗi trường Việt Nam”, Hội thảo quốc tế về ụ nhiễm Asen: Hiện trạng, Tỏc động đến sức khỏe cộng đồng và cỏc giải phỏp phũng ngừa, Hà Nội, 21-32
[2] Lờ Văn Cỏt (2002). Hấp phụ và trao đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải.NXB Thống kờ, Hà Nội.
[3] Lũ Văn Huynh, Lờ Văn Cỏt, Mai Xuõn Quỳ(2001), “Hấp phụ p – nitrophenol trờn cột than hoạt tớnh “. Tạp chớ hoỏ học, T.39, số 3, Tr.5 – 9.
[4].Trần Thị Thanh Hương, Lờ Quốc Tuấn(2010), Cơ chế gõy độc Arsen và khả năng giải độc asen của vi sinh vật, Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park.
[5]Nguyễn Ngọc Long (2007)Vật lý chất rắn_Cấu trỳc và cỏc tớnh chất của vật rắn_. Nhà xuất bản quốc gia Hà Nội.
[6]Vũ Đỡnh Thảo(2007), Luận văn thạc sĩ khoa học : “ Nghiờn cứu động học của quỏ trỡnh hấp phụ Asen trờn bột quặng MnO2” chuyờn ngành hoỏ lý thuyết và hoỏ lý. Mó số 1.04.04.
Tiếng Anh
[7]. A. Auroux, A. Gervasini (1994). Acidic properties of titanium–silicate–1. Zeolit and related microponous materials states of art. Vol 84.pp. 653-659.
[8]. A. Corma, S. Iborra, J. Primo, F. Rey, Appl. Catal. A: General, 114, 1994, 512-225
[9] A. Gomez-Caminero, P. Howe, M. Hughes, E. Kenyon, D.R. Lewis, M. Moore, “Arsenic and arsenic compounds”, Inorganic chemistry (2001).
[10] “ Arsenic removal from real arsenic-bearing groundwater by adsorption on iron-oxide-coated natural rock (IOCNR) ” .Desalination (2011).
76
[11] “ Asenate biosorption by iron-modified pine sawdust in batch systems: kinectics and equilibrium studies “. –bioresources.com.
[12] B. N. Pal, Granular ferric hydroxide for elimination of Arsenic from drinking water, M/S Pal Trockner[P] Ltd. 25/1B Ibrahimpur Road, Calcutta-700 032
[13] http://www.case.vn/vi-VN/34/96/115/details.case [14] http://www.case.vn/vi-VN/87/88/128/details.case
[15]. Bagshaw, S. A., Prouzet E., and Pinnavaia T. J. (1995), “Templating of Mesoporous Molecular Sieves by Nonionic Polyethylene Oxide Surfactants, Science”, 269, 1242 – 1244.
[16]. Brinker C. J., George W. Scherer (1990), Sol-gel science – The Physics and Chemistry of Sol- Gel Processing, Academic Press, USA.
[17]. Chedeville O., Bayraktar A. T., Port C. (2005), “Modeling of Fenton Reaction for the oxidation of phenol in water”, Journal of Automated Methods & Management in Chemistry, 2, 31 – 36.
[18]. Choi J. S., Yoon S. S., Jang S. H Ahn W. S. (2006), “Phenol hydroxylation using Fe-MCM-41 catalysts”, Catalysis today, 111, 280 – 287.
[19]. Farrauto R. J., Bartholomew C. H. (1997), Fundamentals of industrial catalytic processes, Blackie Academic & Professional, pp. 151 – 153.
[20]. H. Chon, S.I.Woo, S.E.Park, Recent Advandces and New Horirisons in Zeolite Science and Technology, Elsevier, 102 1996, 27-32.
[21]. Ho Sy Thang, Nguyen Thi Ai Nhung, Dinh Quang Khieu, Tran Thai Hoa, Nguyen Huu Phu (2008), Direct hydrothermal synthesis of mesoporous, Sn-SBA-16 materials under weak acidic conditions, International scientific conference on “Chemistry for development and intergration”, 12 – 14 September, pp, 806–816.
[22]. Hu. X, Lam F. L. Y., Cheng L. M., Chan K. F., Zhao X. S., Lu G. Q. (2001), “Copper/MCM-41 as catalyst for photochemically enhanced oxidation of phenol by hydrogen peroxide”, Catalysis Today, 68, 129–133.
77
[23]. Kim. M. J., Han Y. J., Chmelka B. F. and Stucky G. D. (2000), “One-step synthesis of ordered mesocoposites with non-ionic amphiphilic block copolymers: implications of isoelectric point, hydrolysis rate and fluoride”, Chem. Commun., 2437 – 2438.
[24]. Kleestorfer K., Vinek H.and Jentys A. (1998), “Structure simulation of mesoporous
molecular sieves” Studies in Surface Science and Catalysis, Vol. 117, 37-43.
[25]. Kulawid K., Schulz-ekloff G., Rathousky J., Zukal A., Had J., (1995),
“Hydroxylation of phenol over Ti-MCM-41 and TS-1”, Collection of Czechoslovak Chemical
Communications, 60 (3), 451-456.
[26]. Laha S. C. (2002), Mesoporous and microporous matallosilicate & organo-silicate
molecular sieves: synthesis, characterization and catalytic properties, Doctor thesis, University of Pune, India.
[27]. Langevin D.(1998), “Structure and dynamic properties of surfactant systems”,
Studies in surface science and catalysis, 117, 129-134.
[28]. Nozaki C., Lugmair C. G., Bell A.T., and Tilley T. D. (2002) “Synthesis, characterization, and catalytic performance of single-site iron(III) centers on the surface of
SBA-15 silica”, J. Am. chem.soc, 124, 13194-13203.
[29]. Stucky, G. D., Monnier, A., Schỹth, F.; Huo, Q.; Margolese, D.I., Kumar, D., Krishnamurty, M. P., Petroff, M.; Firouzi, A., Janicke, M. and Chmelka, B. F. (1994),
“Molecular and Atomic Arrays in Nano- and Mesoporous Materials Synthesis”, Mol. Cryst.
Liq. Cryst. 240, 187-200.
[30]. Tuel A., ArconI., Millet J.M.M. (1998) “Investigation of structural iron species in
Fe-mesoporous silicas by spectroscopic techniques”, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 94, 3501-
3510.
[31]. Zhao D., Feng., Huo Q., Fredickson G. H, Chmelka B. F., ang Stucky G.D. (1998). Triblock Copolimer syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrong Pores, Science, Vol 279 pp. 548–552.
78
MỤC LỤC
Chương 1. Tổng Quan ... 5
1. 1. Giới thiệuchung về vật liệu Fe2O3: ... 5
1.1.1. α-Fe2O3 (hematite) ... 6
1.1.2. γ-Fe2O3 (maghemite) ... 7
1.1.3. Giới thiệu về vật liệu vụ định hỡnh: ... 8
1.2. Vật liệu MCM 41 ... 10
1.2.1. Vật liệu mao quản trung bỡnh ... 10
1.2.2. Phương phỏp tổng hợp vật liệu MQTB ... 12
1.3. Tổng quan về asen. ... 18
1.3.1 Giới thiệu chung về asen ... 18
1.3.2. Quỏ trỡnh sử dụng cỏc hợp chất Asen trong lịch sử ... 19
1.3.3. Vấn đề mụi trường bởi Asen và những tỏc hại đối với sức khỏe con người.... 20
1.3.4. Cơ chế gõy độc của Asen ... 22
1.4. Tỡnh trạng ụ nhiễm asen trong nước ngầm trờn thế giới và Việt Nam ... 23
1.4.1 ễ nhiễm asen trong nước ngầm trờn thế giới ... 25
1.4.2 ễ nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam ... 27
1.5. Cỏc phương phỏp xử lý asen ...28
1.5.1. Oxi hoỏ As(III) ... 28
1.5.2. Kĩ thuật đồng kết tủa/keo tụ ... 28
1.5.3. Kĩ thuật hấp phụ ... 29
1.5.4. Phương phỏp trao đổi ion ... 29
1.5.5. Cỏc phương phỏp khỏc ... 30
1.6. Phương phỏp hấp phụ : ... 31
1.6.1. Những nguyờn lý chung của phương phỏp hấp phụ ... 31
1.6.2. Động học của cỏc quỏ trỡnh hấp phụ ... 31
79
1.6.4 Dung lượng hấp phụ ... 36
Chương 2: Chế tạo vật liệu oxit sắt và MCM-41 ...39
2.1. Chế tạo vật liệu oxit sắt. ... 39
2.1.1. Hệ vi súng ... 39
2.1.2. Quy trỡnh chế tạo mẫu ... 40
2.2. Chế tạo vật liệu MCM-41 ... 41
2.3. Cỏc phộp phõn tớch và thiết bị sử dụng trong luận ỏn. ... 41
2.3.1. Mỏy đo phổ nhiễu xạ tia X ... 42
2.3.2. Mỏy chụp ảnh kớnh hiển vi điện tử truyền qua ... 43
2.3.3. Đo phổ hấp thụ nguyờn tử ... 44
2.3.4. Mỏy khối phổ plasma cảm ứng. ... 45
Chương 3. Phõn tớch cấu trỳc và tớnh chất vật liệu oxit sắt và MCM-41 ... 47
3.1. Phõn tớch phổ nhiễu xạ tia X ... 47
3.1.2.Phổ tỏn sắc năng lượng tia X (EDX ): ... 48
3.1.3. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu MCM- 41. ... 49
3.2. Kết quả chụp ảnh TEM ... 50
3.2.1. Kết quả chụp ảnh TEM của vật liệu Fe2O3 ... 51
3.3.Ghi đ-ờng đẳng nhiệt hấp phụ nitơ ... 53
3.4.Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR): ... 55
Chương 4: Ứng dụng vật liệu oxit sắt và vật liệu mang trong xử lý mụi trường nước .... 58
4.1. Tiến hành khảo sỏt khả năng hấp phụ Asen của Fe2O3 ... 58
4.1.1. Pha dung dịch asen : ... 58
4.1.2. Định lượng vật liệu hấp phụ (Fe2O3vdh) : ... 58
4.1.3. Khảo sỏt hấp phụ Asen : ... 58
4.2. Xỏc định dung lượng hấp phụ cực đại : ... 60
4.2.1. Sử dụng phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir ... 60
80
4.3.1. Phụ thuộc vào thời gian ... 63
4.3.2. Phụ thuộc vào PH ... 65
4.4. Nghiờn cứu khả năng hấp thụ Asen của vật liệu MCM-41 ... 67
4.4.1. Xác định dung l-ợng hấp phụ cực đại của MCM-41 đối với As (III) ... 67
4.5. Nghiờn cứu khả năng hấp thụ Asen của vật liệu nano Fe2O3vụ định hỡnh trờn nền vật liệu mang MCM-41. ... 67
4.6. Xõy dựng mụ hỡnh lọc nước sử dụng vật liệu nano vụ định hỡnh trờn nền vật liệu mang MCM-41. ... 70
4.6.1. Chế tạo cột lọc nước ... 70
4.6.2. Chế tạo thiết bị hấp phụ ... 71
KẾT LUẬN ...74