Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc vật liệu ống nano cacbon gắn trên gốm và ứng dụng để xử lý asen trong nước bị ô nhiễm Nguyễn Tuấn Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS. ngành: Hóa môi trường; Mã số: 60 44 41 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Tường Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Tìm hiểu về vật liệu nano và phương pháp chế tạo, ống nano cacbon, vật liệu gốm xốp; ô nhiễm asen và phương pháp xử lý. Khảo sát chi tiết các điều kiện thích hợp để xây dựng quy trình chế tạo vật liệu gốm xốp. Sử dụng các phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại (SEM, BET) để xác định đặc tính của sản phẩm trước và sau khi gắn (nano cacbon) CNT. Khảo sát khả năng hấp phụ Asen trong môi trường nước của vật liệu chế tạo được. Keywords. Hóa môi trường; Vật liệu nano cacbon; Xử lý asen; Ô nhiễm nước; Công nghệ môi trường Content I. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 1. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát chi tiết các điều kiện thích hợp để xây dựng quy trình chế tạo vật liệu gốm xốp. - Sử dụng các phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại (SEM, BET) để xác định đặc tính của sản phẩm trước và sau khi gắn CNT. - Khảo sát khả năng hấp phụ Asen trong môi trường nước của vật liệu chế tạo được. 2. Hóa chất, dụng cụ 2.2. Dụng cụ Máy chụp SEM: Đánh giá cấu trúc bề mặt vật liệu. Máy chụp BET: Xác định diện tích bề mặt, kích thước lỗ mao quản. Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS: SHIMADZU 7000 (Nhật Bản) xác định hàm lượng As. Máy phân tích phân bố kích thước hạt bằng laze: HORIBA LA950 (Nhật Bản) xác định kích thước trung bình của các hạt nguyên liệu. Cân phân tích 4 số: Satorius 1801 Tủ hốt, tủ sấy, máy lắc Máy lọc hút chân không Và các dụng cụ thủy tinh trong phòng thí nghiệm 2.3. Hóa chất - Dùng để chế tạo vật liệu: + Cao lanh: có công thức Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 .nH 2 O (n = 0, 2) với thành phần gồm SiO 2 , Al 2 O 3 , H 2 O, ngoài ra còn có một lượng nhỏ tạp chất Fe, Ti, K và Mg. Cao lanh được sử dụng trong đề tài này là Cao lanh Trúc Thôn. + Đất sét Trúc Thôn. + Các hóa chất khác: Ni(NO 3 ) 2 . xH 2 O, C 2 H 2 O 4 , C 6 H 8 O 4 , NH 2 CH 2 COOH dùng để chế tạo xúc tác; chất tạo xốp là mùn cưa 3. Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ + Phương pháp tính toán dung lượng hấp phụ cực đại + Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS + Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM + Phương pháp xác định diện tích bề mặt 4. Kỹ thuật thực hiện - Thực hiện quá trình tổng hợp xúc tác theo phương pháp cháy ướt trên thiết bị liên tục - Kỹ thuật chế tạo các vật liệu gốm xốp (ceramic), - Gắn CNT lên trên gốm xốp bằng phương pháp CVD sử dụng khí hidrocacbon - Kỹ thuật sử dụng vật tư hóa chất và thiết bị thí nghiệm: lò nung, thiết bị điều chế CNT bằng phương pháp CVD. 5. Chế tạo xúc tác Xúc tác để chế tạo nano cacbon được sử dụng là các oxit kim loại hoặc hỗn hợp oxit kim loại. Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để điều chế xúc tác như: Phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt Trong bản luận văn này chúng tôi sử dụng phương pháp cháy ướt trên thiết bị liên tục (phương pháp này được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Viện Hóa học Vật liệu/Viện khoa hoc và công nghệ quân sự). Bản chất của phương pháp cháy ướt là chất xúc tác được đưa lên chất mang là các oxit kim loại như: Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 Các chất có hoạt tính xúc tác là những kim loại như Fe, Co, Ni…có kích thước nano. Để chế tạo xúc tác theo phương pháp cháy ướt, đầu tiên chuẩn bị dung dịch muối nitrat của các kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni…), muối nitrat của kim loại sử dụng làm chất mang (Ca, Mg, Al…) và các chất khử thường được sử dụng: (NH 2 CH 2 COOH, C 6 H 8 O 7 , (NH 2 ) 2 CO, C 2 H 2 O 4 ). Phản ứng diễn ra tức thì ở nhiệt độ cao 500- 550 o C, khí và hơi nước được thoát ra một cách nhanh chóng. Bằng phương pháp này cho phép thu được chất xúc tác với kích thước đồng nhất, diện tích bề mặt riêng lớn và tỉ trọng thấp. Mấu chốt của phương pháp là chuẩn bị dung dịch của các muối nitrat và dung dịch chất khử phù hợp với các tỉ lệ được xác định. Hỗn hợp dung dịch được đưa vào trong khu vực phản ứng một cách liên tục, tại khu vực phản ứng nhiệt độ luôn được duy trì trong khoảng 300-400 o C. Phản ứng diễn ra rất mãnh liệt và kèm theo lượng khí thoát ra, sản phẩm thu hồi một cách liên tục. Xúc tác cho quá trình tổng hợp ống nano cacbon thường được sử dụng là Co/MgO, Ni/MgO, Fe/MgO hoặc phức của nhiều oxit kim loại như Co,Mo/MgO; Fe,Mo/MgO, sản phẩm tạo thành là dung dịch rắn với kích cỡ nano. Để chế tạo xúc tác tiến hành như sau: cân chính xác các lượng hóa chất để chế tạo xúc tác cũng như chất mang, hòa tan trong một lượng nước vừa đủ (có thể tăng khả năng hòa tan của hỗn hợp bằng cách gia nhiệt <100 o C). Sau khi tan hết, hỗn hợp được đưa vào lò phản ứng dưới sự hỗ trợ của áp lực để hỗn hợp phản ứng được đưa vào lò ở dạng sương mù. Ống thủy tinh thạch anh được thiết kế với hệ thống mô tơ có thể quay với tốc độ 20 - 30 vòng /phút. Để thu được sản phẩm tạo thành và đuổi hết khí do quá trình phân hủy của nguyên liệu đã sử dụng thiết bị thu hồi dạng cyclone có gắn hệ thống quạt hút. Sản phẩm tạo thành được sa lắng xuống nhờ tự trọng và được thu trong bình chứa. Sản phẩm tạo thành được kiểm tra đo đạc một số tính năng và chỉ tiêu như: tỉ trọng; diện tích bề mặt; kích thước hạt. Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của chất xúc tác là: kích thước hạt, tỉ trọng, diện tích bề mặt, tỉ lệ thành phần của các oxit kim loại. Một trong những yếu tố đánh giá sơ bộ chất lượng của chất xúc tác là tỉ trọng. Diện tích bề mặt được xác định theo phương pháp đo BET, m 2 /g; kích thước hạt được đo theo phương pháp laser, xác định đường kính trung bình (µm). Với phương pháp liên tục có thể chế tạo một lượng lớn xúc tác đủ đáp ứng cho chế tạo nano cacbon phục vụ cho thí nghiệm. 6. Chế tạo gốm xốp Có 2 phương pháp chế tạo vật liệu xốp. - Chế tạo vật liệu xốp trên cơ sở chất tạo xốp. - Chế tạo xốp trên cơ sở vật liệu tạo khung xốp có sẵn. Gốm xốp tạo thành bằng các phương pháp này có hình dạng và kích thước phù hợp cho từng loại thiết bị và công nghệ chế tạo. Để chế tạo gốm xốp tiến hành như sau: Lấy cao lanh, đất sét và xúc tác rồi trộn đều với thể tích xác định của hỗn hợp chất tạo xốp (Trong luận văn này dùng mùn cưa). Tỷ lệ chất tạo xốp có thể thay đổi. Sau đó, trộn với nước vừa đủ để tạo ra hỗn hợp hơi nhão rồi tạo hình. Tạo hình xong, đưa vật liệu vào lò nung đến nhiệt độ trong khoảng 1100 o C và 1400 o C trong các khoảng thời gian từ 4 – 8 h. Thay đổi tỷ lệ chất tạo xốp lên 30 – 50% theo thể tích với cách thức thực hiện thí nghiệm như trên.  Sơ đồ công nghệ chế tạo: Hình 2.8. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu gốm xốp có gắn CNT Chất lượng của gốm xốp phụ thuộc vào các yếu tố: nguyên vật liệu; hóa chất tạo xốp; chế độ công nghệ. Nguyên vật liệu: trong nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn vật liệu để tạo gốm xốp trên là cao lanh với hàm lượng oxit nhôm cao, thành phần thứ 2 được lựa chọn là đất sét với độ dẻo cao, chất tạo xốp được sử dụng là mùn cưa hoặc xốp Poliuretan (PU). Thành phần của xúc tác: xúc tác được chế tạo trên cơ sở các oxit kim loại Ni hoặc hỗn hợp oxit kim loại Ni và Mg trên các chất mang là MgO. Trong phạm vi của luận văn này chỉ nghiên cứu phương pháp chế tạo xúc tác trên cơ sở chất tạo xốp. Chất tạo xốp Cao lanh Sét Xúc tác Nước Nghiền ướt Ngâm trong xốp PU Trộn Sấy khô Nung 1100- 1400 o C Sản phẩm gốm xốp Tạo hình Sấy khô Nung 1100-1400 o C Tạo hình Nhiệt phân hydrocacbon 700 o C; 15 phút Gốm xốp/CNT 7. Chế tạo Gốm/CNT 7.1. Chế tạo CNT trên gốm Để đưa nano cacbon lên bề mặt của gốm xốp có 2 phương pháp: - Phân tán nano cacbon đã biến tính hoặc sử dụng nano cacbon với chất hoạt động bề mặt và tẩm vào vật liệu gốm xốp - Gắn hạt xúc tác trên bề mặt của gốm xốp, sau đó tiến hành nhiệt phân và phát triển sợi cacbon trên lỗ xốp của gốm. Tùy theo yêu cầu thực tế mà có thể chọn phương pháp đưa nano cacbon lên. Trong luận văn này sử dụng phương pháp gắn hạt xúc tác trên bề mặt của gốm xốp, sau đó tiến hành nhiệt phân và phát triển sợi cacbon trên lỗ xốp của gốm. Cụ thể, gốm xốp đã được tẩm các hạt kim loại xúc tác (Ni, Mg) vào thiết bị tạo CNT theo phương pháp CVD sử dụng khí hydro cacbon. Các nguyên tử cacbon này khuếch tán xuống đế, và lắng đọng lên các hạt kim loại xúc tác (Ni, Mg), và CNT được tạo thành. Nhiệt độ để vào khoảng 750 o C. Và như vậy CNT đã được hình thành và bám luôn vào gốm xốp. Sau khi có được CNT gắn trên gốm xốp, tiến hành xác định lượng CNT có trên vật liệu mới này bằng cách đem cân để xác định khối lượng m 3 . Và ( m 3 – m 1 ) chính là khối lượng của CNT bám vào gốm xốp với m 1 là khối lượng gốm xốp chưa có CNT ban đầu. Khi đó ta sẽ có: %m CNT = (m 3 – m 1 )/m 3 Đồng thời độ xốp của vật liệu gốm xốp có CNT cũng được khảo sát bằng phương pháp giống như gốm xốp khi chưa có CNT. Hình thái học của vật liệu cũng được thể hiện qua hình ảnh SEM và diện tích bề mặt của vật liệu được xác định thông qua phương pháp đo BET. * Vật liệu tạo thành được khảo sát cấu trúc và một số tính năng vật lý. Cụ thể, tiến hành chụp SEM, xác định độ xốp tương đối. Cách xác định độ xốp tương đối: cân chính xác 1 lượng gốm xốp để xác định trọng lượng (m 1 ) rồi ngâm vào nước cho đến khi không thấy sủi bọt khí thì lấy ra cân lại. Khối lượng tăng lên sẽ chính là khối lượng nước ngấm vào gốm xốp (m 2 ). Từ đó xác định được tỷ lệ xốp một cách tương đối: % xốp = m 2 /m 1 7.2. Khảo sát khả năng hấp phụ As của vật liệu Vật liệu gốm xốp có gắn nano cacbon ngoài sử dụng làm vật liệu hấp phụ bản thân chúng cũng được sử dụng như là vật liệu lọc. Để khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đã tiến hành nghiên cứu thời gian đạt cân bằng hấp phụ và tính dung lượng hấp phụ của vật liệu đối với Asen. Cụ thể: + Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Asen. Cân chính xác một lượng vật liệu là 2,5 g rồi cho vào 50 ml dung dịch Asen có nồng độ ban đầu C 0 = 500 ppb. Đặt hệ thí nghiệm vào máy lắc lắc liên tục trong vòng 6 h. Trong khoảng thời gian đó, tại các thời điểm 0,5 h; 1 h; 2 h; 3 h; 4 h; 5 h và 6 h lấy mẫu và xác định nồng độ Asen còn lại C t trong dung dịch. + Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu. Cân chính xác các lượng vật liệu m = 2 g rồi cho vào các bình có chứa V = 100 ml dung dịch Asen với các nồng độ ban đầu tăng dần C 0 = 10 ppm; 20 ppm; 50 ppm; 100 ppm; 200 ppm; 300 ppm; 400 ppm; 500 ppm. Đặt hệ thí nghiệm vào máy lắc lắc liên tục. Sau đó lấy mẫu và xác định nồng độ Asen còn lại C t trong dung dịch ở các bình. II. KẾT QUẢ 1. Vật liệu Vật liệu sau khi chế tạo được đo đạc khảo sát và kết quả được đưa ra ở bảng sau: Bảng 3.10. Kết quả đo mức độ xốp và hàm lượng CNT trên gốm xốp Mẫu 4h 5h 6h 7h 8h Mức độ xốp (%) 29,5 28 28,8 29,2 28,7 Hàm lượng CNT (%) 9,0 9,5 10,5 9,9 9,3 Thấy rằng mức độ xốp và khả năng cấy CNT lên trên bề mặt của gốm xốp không phụ thuộc nhiều vào thời gian nhiệt phân và khối lượng xúc tác. Với hàm lượng xúc tác 5 g và vật liệu gốm xốp có độ xốp 29%, trong thời gian 15 phút có thể gắn 9 - 10% CNT. Hình thái học của vật liệu gốm xốp/nano cacbon được xác định bằng ảnh SEM, kết quả hình 3.6 và 3.7. Hình 3.6. Ảnh SEM gốm xốp/nano cacbon Hình 3.7. Ảnh SEM gốm xốp/nano cacbon Nano cacbon được hình thành và phủ trên khoảng trống của lỗ xốp trên gốm xốp với đường kính trung bình ~ 50 nm và chiều dài khoảng 2 µm Vật liệu gốm xốp/CNT được xác định diện tích bề mặt. Kết quả như sau: Hình 3.8. Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N 2 trên vật liệu gốm xốp Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của N 2 trên gốm xốp Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ Langmuir của vật liệu hấp phụ N 2 trên gốm xốp Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ N 2 trên gốm xốp Hình 3.12. Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N 2 trên gốm xốp/CNT Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của vật liệu hấp phụ N 2 trên gốm xốp/CNT Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ Langmuir của vật liệu hấp phụ N 2 trên gốm xốp/CNT Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt riêng của vật liệu gốm xốp/CNT + Từ đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N 2 trên gốm xốp, tại p/p o = 0 thì lượng N 2 hấp phụ của vật liệu chỉ khoảng 0,15 cm 3 /g nhưng khi p/p o tăng từ 0,85 đến 1 thì lượng N 2 hấp phụ của vật liệu tăng đột biến từ 0,7 đến 3,1 cm 3 /g. Tuy nhiên, cũng từ đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N 2 trên gốm xốp có gắn CNT, tại p/p o = 0 thì lượng N 2 hấp phụ của vật liệu đã là 2 cm 3 /g và khi p/p o tăng từ 0,85 đến [...]... bám trên gốm xốp khoảng 9%, nano cacbon được hình thành trên và phủ trên khoản trống của lỗ xốp trên gốm xốp với đường kính trung bình ~ 50 nm và chiều dài khoảng 2 µm Diện tích bề mặt của vật liệu gốm xốp có gắn ống nano cacbon theo BET diện tích tăng lên ~ 20 lần (12,5 m2/g) so với vật liệu gốm xốp khi chưa gắn ống nano cacbon (0,6 m2/g) Khi đó, vật liệu bền vững để có thể xử lý nước ô nhiễm Asen. .. cacbon mục đích được sử dụng trong nghiên cứu này làm nhiệm vụ lọc thô, tuy nhiên ngoài khả năng lọc vật liệu còn đóng vai trò là chất hấp phụ Để khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu dung lượng hấp phụ của vật liệu đối với Asen, kết quả nghiên cứu được đưa ra ở các số liệu dưới đây Bảng 3.11 Kết quả khảo sát thời gian hấp phụ của vật liệu đối với Asen Thời gian (h) C0... N2 hấp phụ của vật liệu tăng đột biến từ 12 đến 47 cm3/g Như vậy, sau khi gắn CNT, lượng N2 hấp phụ của vật liệu đã tăng ~ 17 lần + Ngoài ra kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu gốm xốp có gắn ống nano cacbon theo BET diện tích tăng lên ~ 16 lần (12,6 m2/g) so với vật liệu gốm xốp khi chưa gắn ống nano cacbon (0,8 m2/g) + Không chỉ vậy, từ đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt riêng của gốm xốp, đối... Langmuir của vật liệu đối với Asen là 6,85 mg As/g References Tài liệu tiếng Việt 1 Hoàng Nhâm (2003), Hóa học vô cơ Tập 3, NXBGD 2 Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải, Nhà xuất bản Thống Kê, Hà Nội 3 Lê Văn Khoa (1995), Môi trường và ô nhiễm, NXBGD Tài liệu tiếng Anh 4 A Borrell, V.G Rocha, R.Torecillas, A Fernánder (2011),“ Surface coating on carbon nanofibers... Đã đưa ra phương pháp chế tạo vật liệu xốp có chứa xúc tác với tỷ lệ xốp 30% trên cơ sở chất tạo xốp đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu: nhiệt độ, tỷ lệ chất tạo xốp Các kết quả nghiên cứu cho thấy có thể chế tạo vật liệu ở nhiệt độ ~ 1100oC , thời gian nung mẫu 4-5 giờ 3 Đã tiến hành gắn CNT trên gốm xốp bằng phương pháp CVD Kết quả nghiên cứu thành phần, chụp SEM,... Asen 4 Khảo sát thời gian hấp phụ của vật liệu gốm xốp/CNT đối với Asen ở nồng độ đầu vào của dung dịch Asen là C0 = 500 ppb, 2,5g vật liệu với thể tích dung dịch hấp phụ là 50 ml ở các điểm thời gian hấp phụ: 0,5; 1; 2; 3; 4;5 và 6 h Kết quả là sau 4 h tiếp xúc, quá trình hấp phụ đã đạt cân bằng 5 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu với các dung dịch Asen có nồng độ tăng dần là: 10 ppm,... của gốm xốp đã gắn CNT, với các mao quản có đường kính từ 1 – 5 nm thì diện tích đã là ~ 1,7 m2/g.nm Như vậy, diện tích bề mặt riêng của các mao quản từ 1 – 5 nm là các mao quản có khả năng tốt hấp phụ các ion kim loại nặng đã tăng ~ 13 lần Điều này đồng nghĩa với khả năng hấp phụ của gốm xốp sau khi gắn CNT tăng lên nhiều 2 Khảo sát khả năng hấp phụ As của vật liệu Vật liệu gốm xốp có gắn nano cacbon. .. thị để tính dung lượng hấp phụ cực đại theo Langmuir Hình 3.16 Đường cong cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir Từ kết quả khảo sát trên dung lượng hấp phụ cực đại tính theo cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu đối với Asen là: q = 1/0,146 = 6,85 (mg As/g) III KẾT LUẬN Trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu trong luận văn có thể rút ra một số kết luận sau: 1 Đã chế tạo xúc tác trên. .. 3.14 Đồ thị biểu diễn thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Asen của vật liệu Từ đồ thị ta thấy 3 h đầu tốc độ hấp phụ tăng rất nhanh, nhưng sau h thứ tư thì tốc độ hấp phụ tăng chậm và hầu như không thay đổi Có thể nói sau 4 h tiếp xúc, quá trình hấp phụ đã đạt cân bằng Trong quá trình khảo sát tiếp theo chúng tôi tiến hành thí nghiệm trong 4 h Dung lượng hấp phụ kết quả thu được như sau: Bảng 3.12... B.Xing, K.Yang, L.Zhu (2006), “Pollution prevention and treatment using nanotechnology”, Environ.Sci.Technol, 40, pp.18-55 7 Do Trong Su (1997), “Assessment of Underground water Pollution in Bac Bo Delta Plain and Proposal Solutions for Water Source Protection”, Geological Archives, Hanoi 8 H S Nalwa “Handbook of Nanostructure Materials and Nanotechnology, Volume 5: Organics Polymers, and Biological Materials”, . Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc vật liệu ống nano cacbon gắn trên gốm và ứng dụng để xử lý asen trong nước bị ô nhiễm Nguyễn. phụ Asen trong môi trường nước của vật liệu chế tạo được. Keywords. Hóa môi trường; Vật liệu nano cacbon; Xử lý asen; Ô nhiễm nước; Công nghệ môi trường