Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ mn – fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý as, fe và mn trong nước sinh hoạt

Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt Phạm Ngọc Chức Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Hóa học Chuyên ngành: Hóa

Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong

nước sinh hoạt Phạm Ngọc Chức

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Hóa học

Chuyên ngành: Hóa vô cơ; Mã số: 60 44 25 Người hướng dẫn: PGS.TS Lưu Minh Đại

Năm bảo vệ: 2011

Abstract Tổng quan về công nghệ nano; nước ngầm và sự ô nhiễm; các giải pháp

xử lý As, Fe, Mn; một số phương pháp điều chế vật liệu nano; tổng hợp vật liệu oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích thước nanomet Trình bày các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm: phương pháp tổng hợp vật liệu; các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu; phương pháp hấp phụ; phương pháp xác định sắt, mangan và asen trong dung dịch Đưa ra kết quả và thảo luận: vật liệu Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ As trên vật liệu Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ sắt trên oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ mangan trên oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3; một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phu của vật liệu; vật liệu oxit phức hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch anh (TA)

Keywords Hóa học vô cơ; Nước sinh hoạt; Công nghệ Nano

Content:

Vật liệu oxit sắt, oxit mangan kích thước nanomet được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau nhằm điều chế oxit sắt ở nhiệt độ thấp như: phương pháp sol – gel, phương pháp thủy nhiệt, nhiệt phân trong dung môi không nước, phương pháp đốt cháy gel polime Tùy theo nhu cầu ứng dụng mà sử dụng các phương pháp điều chế để tạo ra sản phẩm có những đặc trưng riêng về hình thái và tính chất

Oxit α – Fe2O3 và γ – Fe2O3 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xúc tác, làm chất màu, sensor, xúc tác hấp phụ để xử lý kim loại nặng

Oxit Mn2O3 và MnO2 được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu vì ứng dụng phong phú của chúng trong nhiều lĩnh vực, MnO2 được chế tạo và ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ Mn2O3 được xử dụng làm vật liệu xúc tác cho quá trình xử lý CO

và NOx từ khí thải, xúc tác cho quá trình đốt cháy metan và ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý môi trường

Vật liệu oxit phức hợp Mn – Fe được nghiên cứu và ứng dụng xử lí asen với

qmax = 1,77mmol/g đối với As (III) và 0,93 mmol/g đối với As (V) ở pH = 5

Dựa trên cơ sở phân tích và ứng dụng vật liệu oxit sắt, oxit mangan kích thước nanomet trong lĩnh vực xử lí môi trường vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt” luận văn được thực hiện với các nội dung chính:

- Tổng hợp oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 kích thước nanomet

- Xác định các đặc trưng của vật liệu tổng hợp bằng phương pháp XRD, SEM, BET

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ As, Fe, Mn trên vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ As, Fe, Mn trên vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3

– Fe2O3 trên nền cát thạch anh

Từ đó chúng tôi thu được kết quả sau đây:

- Bằng phương pháp đốt cháy gel đã tổng hợp được oxit hỗn hợp Fe2O3 –

Mn2O3 ở nhiệt độ 5500C, kích thước hạt cỡ 25nm, với diện tích bề mặt là 68,5 m2/g

- Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha oxit phức hợp Fe2O3 –

Mn2O3 như: nhiệt độ nung, pH, tỷ lệ mol (Mn2+ + Fe3+)/PVA, tỷ lệ mol Fe/Mn Đối với pha oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3, các điều kiện thích hợp là:

nhiệt độ nung 5500C, tỷ lệ mol Fe/Mn = 1:1, pH = 4, tỷ lệ mol (Mn2+

+

Fe3+)/PVA = 1:3

Hình 1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu tối ưu

Hình 2 Ảnh SEM của mẫu nung ở 550 0

C

- Đã ứng dụng oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3 có kích thước nanomet để hấp phụ As(III), As(V), Fe(III) và Mn(II) ở pH = 7 theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của oxit phức

hợp Fe2O3 – Mn2O3 có kích thước nanomet đối với As(III) là 41,117 mg/g, đối với As(V) là 48,437 mg/g, đối với Fe(III) là 111,04mg/g, đối với Mn(II)

là 98,09mg/g

- Đã tổng hợp oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3/cát thạch anh và ứng dụng xử lí sắt, mangan, asen Dung lượng hấp phụ cực đại tương ứng đối với As(III), As(V), Fe(III) và Mn(II) lần lượt là: 1,36; 1,53; 3,19; 2,62mg/g

Vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 kích thước nanomet hấp phụ kim loại nặng là rất khả quan Tuy nhiên, để triển khai vào thực tiễn cần tìm kiếm chất mang thích hợp để phân tán các oxit hỗn hợp này Trong số các chất mang thì cát thạch anh có ưu điểm là: thành phần khá tinh khiết, cấu trúc bền vững, không bị biến dạng, chịu áp lực cao, ít bị mài mòn trong quá trình sử dụng, kích thước hạt đa dạng… và đặt biệt là giá thành thấp Do đó, chúng tôi chọn chất mang để phân tán oxit là cát thạch anh, vì các thiết bị hấp phụ tách asen, sắt và mangan cần giải quyết bài toán công suất thích hợp và chất lượng nước sau xử lý hay nói cách khác

là kích thước vật liệu đủ lớn để đảm bảo tốc độ dòng không gây tắc nghẽn dòng chảy Cát thạch anh có kích thước hạt 0,5 – 1 mm là thích hợp và được lựa chọn và

có khả năng ứng dụng thực tế

References

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

1 Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội (1999), Giáo trình Hoá học

môi trường cơ sở, Trường ĐHKHTN

2 Lê Văn Khoa (1995), Môi trường và ô nhiễm, NXB Giáo dục

3 Đặng Kim Chi (1998), Hoá học môi trường, NXBKHKT Hà Nội

4 Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường (1994), Tổng quan hiện trạng môi

trường Việt Nam, Hà Nội

5 Lưu Đức Hải, Đỗ Văn ái, Võ Công Nghiệp, Trần Mạnh Liễu (2005), Chiến

lược quản lý và giảm thiểu tác động ô nhiễm asen tới môi trường và sức khoẻ con người, Tuyển tập hội thảo Quốc tế “Ô nhiễm asen: Hiện trạng, tác động đến

sức khoẻ con người và giải pháp phòng ngừa”, Hà Nội

6 Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội

7 Nguyễn Hữu Phú (1998), Các tạp chất ô nhiễm thường gặp trong các nguồn

nước, Hội thảo quốc gia: Hóa học và công nghệ hóa học với trương trình nước

sạch và vệ sinh môi trường Ban chỉ đạo quốc gia – Viện hóa học

8 Nguyễn Hữu Phú (2003), Hóa lý và hóa keo, nhà xuất bản KHKT, Hà Nô ̣i

9 Đinh Hải Hà (2010), Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường, Nhà xuất

bản Khoa học – Kỹ thuật, Hà Nội

10 Nguyễn Đình Bảng (2004), Các phương pháp xử lý nước, nước thải Khoa Hóa

học – Trường Đại học KHTN – Đại học QGHN

11 Phan Văn Tường (2004), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm Khoa Hóa

học – Trường Đại học KHTN – Đại học QGHN

12 Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano – công nghệ nền và vật liệu nguồn

Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội

13 Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích Vật lý và Hoá lý,

Trường ĐHKHTN

14 Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008),

“Tổng hợp Mn2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel ở nhiệt

độ thấp”, Tạp chí hóa học, T.46 (4), Tr.451 – 455

15 Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm (2009), “Tổng hợp α –

Fe2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và sử dụng để hấp

phụ asen”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Xúc tác – Hấp phụ toàn quốc lần thứ 5,

Tr.213 – 216

16 Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008),

“Tổng hợp MnO2 kích thước nanomet bằng phương pháp bốc cháy gel và nghiên cứu khả năng sử dụng MnO2 kích thước nanomet để hấp phụ asenic”,

Tạp chí Hóa học, T46 (2A),Tr451 – 455

17 Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan (2009), “Tổng hợp γ – Fe2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và nghiên cứu khả năng hấp phụ sắt,

mangan, asen”, Tạp chí Hóa học, T.47 (6A), Tr.260 – 264

18 Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn Thị Tố Loan (2009), “Nghiên cứu

khả năng hấp phụ asen, mangan và sắt bằng α – Fe2O3 kích thước nanomet trên

nền silicat”, Tạp chí Hóa học, T.47 (6A), Tr.265 – 268

19 Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Võ Quang Mai (2011), “Chế tạo vật liệu

cát thạch anh phủ nano oxit β – MnO2 và γ – Fe2O3 để hấp phụ asen”, Tạp chí Hóa học, T.49 (3A), Tr.6 – 10

TÀI LIỆU TIẾNG ANH

20 McGraw-Hill (1997), Encyclopedia of Science and Technology, 8th edition

21 J.C Miller (2005), The handbook of nanotechnology, Wiley VCH, pp.26

22 C Meldrum et al (1991), “Synthesis of inorganic nanophase materials in

supramolecular protein cages”, Nature, Vol 394, pp.684-687

23 K.J Klabunde (1994), Free Atoms, Clusters and Nanoparticles, Academic

Press, San Diego

24 E.M Lucas and K.J Klabunde (1999), “Nanocrystals as destructive absorbants

for mimcs of chemical warfare agents”, Nanostructured Materials, Vol 12,

pp.1

25 C Wang, A Cui, Z Deng (2001), “Preparation of Cuprous oxide particles of

different crystallinit”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol 243,

pp.85-92

26 B Balamurugan, B R Mehta (2001), “Optical and structural properties of

nanocystalline copper oxide thin films prepared by actived reactive

evaporation”, Thin solid films, Vol 396, pp.90-96

27 R Smalley (1992), Congressional Hearing, Sol Energy Mater Sol Cells, Vol

27, pp 361-370

28 T Boronina, K.J Klabunde, G Sergeev (1995), “Destruction of Organohalides

in Water Using Metal Particles: Carbon Tetrachloride/Water Reactions with

Magnesium, Tin, and Zinc”, Environ Sci Technol, Vol 29, pp.1511-1517

29 E.M Lucas and K.J Klabunde (1999), “Nanocrystals as destructive absorbants

for mimcs of chemical warfare agents”, Nanostructured Materials, Vol 12,

pp.179-182

30 M McGehee, Stanford Univ (2003), Organic and Polymericphotovollatic

Cells, Presented at NSF Organic, available at http://www mrc.utexas.edu/

31 L Schlapbach and A Züttel (2001), “Hydrogen-storage Materials for mobile

applications”, Nature, Vol 414, pp.353-358

32 M Peter (2005), “Ion exchange An over view of technologies useful for

arsenic removal”, Vetrapure water, 22(5), pp.42-43

33 Kim, M J and Nriagn, J (2000), “Oxidation of arsenic in ground using ozone

and oxygen”, Science of the total environment, 247, pp.71 – 79

34 M Bissen, F H Frimmel, Arsenic areview Part II (2003), “Oxidation of

arsenic and its removal in water treatment”, Acta hydrochim Hydrobiol 31(2),

pp.97 – 107

35 Dinesh Mohan, Charles U.Pittman Jr (2007), “Review arsenic removal from

water/waste water using adsortbents – critical review”, J Hazard Mater 2007

01.006

36 Daus,R.Wennrich, H Weiss (2004), “Sorption materials for arsenic removal

from water: a comparative study”, water Res 38(12), pp.2948 – 2954, 2004

37 T.Yuan, J Y Hu, S.L.Ong, Q.F.Luo, W.J.Ng (2001), “Arsenic removal from

household drinking water by adsorption”, J Environ Sci Health A37(9),

pp.1721 – 1736

38 Lucy M Camacho, Ramona R Parra, Shuguang Deng (2011), “Arsenic removal from groundwater by MnO2-modified natural clinoptilolite zeolite:

Effects of pH and initial feed concentration”, Journal of Hazardous Materials

189, pp.286–293

39 Altundoan, S.; Tỹmen, F.; Bildik, M (2002), “Arsenic adsorption from aqueous

solutions by activated red mud”, Waste Management 22, pp.357-363

40 A G Merzano (1993), “Theory and Paractice of SHS”: Worlwide state of the

art and Newest Results, International Journal of Self Propagating High Temperature, 2 (2), pp.113 – 158

41 P Deb, A Basumallick, P Chatterjee, and S.P Sengupta (2001), “Preparation

of α – Fe2O3 nanoparticles from a nonaqueous precursor medium”, Scripta Materialia, 45, pp.341 – 346

42 P Chauhan, S Annapoorini, S.K Trikha (1999), “Humidity – sensing

properties of nanocrystalline hematite thin films preparared by sol – gel

processing”, Thin Solid Films, 45, pp.266 – 268

43 Bingjie Liu, Dongfeng Wang, Haiyan Li, Ying Xu, Li Zhang (2011), “As(III) removal from aqueous solution using α-Fe2O3 impregnated chitosan beads with As(III) as imprinted ions”, Desalination 272, pp.286–292

44 M.H Khedr, K.S Abdel halim, N.K Soliman (2009), “Synthesis and

photocatalysis activity of nano sized iron oxides”, Materials Letters, 63, pp.598

– 601

45 Zhou Gui, Rong Fan, Xian Hui Chen, Yi Cheng Wu (2001), “A simple direct

preparation of nanocrystalline γ – Mn2O3 at ambient temperature”, Inorganic Chemistry Communication, 4, pp.294 – 296

46 Shuyuan Zhang, Zhiwen Chen, Shun Tan, Jian Wang and Sizhao Jin (1997),

“Prepation and microstructure of nanometer sized Mn2O3”, Nanostructured Materials, 8 (6), pp.719 – 723

47 P Julius Pretorius, Peter W Linder (2001), “The adsorption characteristics of δ

– mangansas dioxide: a collection of diffuse double layer constants for the adsorption of H+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+ and Pd2+”, Applied Geochemistry, 16,

pp.1067 – 1082

48 Kanaparthi Ramesh, Luwei Chen, Ziyi Zhong, Jianhau Chin, Hongwai Mook,

Yi Fan Han (2007), “Preparation and characterization of coral like nanostructured α – Mn2O3 catalyst for catalytic combustion methane”, Catalysis Communications, 8, pp.1421 – 1426

49 Gaosheng Zhanga,b, Jiuhui Qua, Huijuan Liua, Ruiping Liua, Rongcheng

Wua (2007), “Preparation and evaluation of a novel Fe–Mn binary oxide

1928

50 Wei Xu, Hongjie Wang, Ruiping Liu, Xu Zhao, Jiuhui Qu (2011), “Arsenic release from arsenic-bearing Fe–Mn binary oxide: Effects of Eh condition”,

Chemosphere 83, pp.1020–1027

51 Jennifer A, Wilkie, Janet G Hering (1996), “Adsorption of onto hydrous

ferric oxide: effects of adsorbate/adsorbent ratios and co – occurring solutes”,

Colloid Surfaces A, 107, pp.97 – 110

52 J.N Moore, J.R Walker, T.H Hayes (1990), “Reaction scheme for the

oxidation of As(III) to arsenic (V) by birnessite”, Clays Clay Miner, 38, pp.549

– 555

53 Sunbaek Bang, Manish Patel, Lee Lippincott, Xiaoguang Meng (2005),

“Removal of arsenic from groundwater by granular tiannium dioxide

adsorbent”, Chemosphere, 60, pp.389 – 3896

54 T.Tuutijarvi, J.Lu, M Sillanpaa, G Chen (2009), “As(V) adsorption on

maghemite nanoparticles”, Journal of Hazardous Materials, 166, pp.1414 –

1420

55 Kaushik Gupta, Uday Chand Ghosh (2009), “Arsenic removal using hydrous

nanostructure iron (III) – titanium (IV) binary mixed oxide from aqueous

solution”, Journal of Hazardous Materials, 161, pp.884 – 892

56 Yun Fan, Fu Shen Zhang, Yinan Feng (2008), “An effective adsorbent developed from municipal solid waste and co – combustion ash for As(V) removal from aqueous solution”, Journal of Hazardous Materials, 159, pp.313 –

318