Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http //www lrc tnu edu vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN THỊ THƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮ[.]
Trang 1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN THỊ THƯƠNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮT TRẠI CAU – THÁI NGUYÊN VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM
CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Thái Nguyên - 2015
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN THỊ THƯƠNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮT TRẠI CAU – THÁI NGUYÊN VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM
CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 60 44 01 13
Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Hậu
Thái Nguyên - 2015
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015
Tác giả
Nguyễn Thị Thương
Của trưởng khoa chuyên môn của giáo viên hướng dẫn
PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan TS Vũ Thị Hậu
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại
học Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành
quá trình học tập và nghiên cứu
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót Em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp
và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn
được hoàn thiện hơn
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015 Tác giả
Trang 5MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các từ viết tắt iv
Danh mục bảng biểu v
Danh mục các hình vi
Chương 1 TỔNG QUAN 3
1.1 Một số phương pháp chế tạo vật liệu 3
1.1.1 Phương pháp thủy nhiệt 3
1.1.2 Phương pháp kết tủa 4
1.1.3 Phương pháp sol-gel 5
1.1.4 Phương pháp tổng hợp đốt cháy 6
1.1.5 Phương pháp gốm truyền thống 7
1.1.6 Phương pháp phóng điện hồ quang 8
1.1.7 Phương pháp ngưng đọng pha hơi 8
1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 8
1.2.1.Các khái niệm 9
1.2.2 Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt 12
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 16
1.2.4 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước 17
1.3 Sơ lược về thuốc nhuộm 18
1.3.1 Định nghĩa thuốc nhuộm 18
1.3.2 Phân loại thuốc nhuộm 18
1.4 Tiềm năng quặng sắt của Việt Nam 21
1.5 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh và metyl da cam 22
Trang 61.5.1 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh 22
1.5.2 Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metyl da cam 23
1.6 Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang 24
1.6.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang 25
1.6.2 Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang 26
1.7 Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 27
1.7.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 27
1.7.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 28
1.7.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 29
Chương 2 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30
30
2.1.1 Thiết bị 30
2.1 30
2.2 Chuẩn bị nguyên liệu 30
2.3 Xác định thành phần hoá học của quặng 31
2.4 Chế tạo một số mẫu vật liệu hấp phụ 33
2.5 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ 34
2.5.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh 34
2.5.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam 35
2.6 Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của NL và các mẫu VLHP chế tạo được 36
2.7 Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ 38
2.7.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 38
2.7.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 40
2.8 Một số đặc trưng của VLHP M3 43
2.8.1 Diện tích bề mặt riêng 43
2.8.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 43
2.8.3 Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được 44
2.9 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP 46
Trang 72.9.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 46
2.9.2 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của VLHP 49
2.9.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 52
2.9.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
PHỤ LỤC 63
Trang 8iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
1 VLHP Vật liệu hấp phụ
2 BET Brunauer-Emmet-Teller
3 XRD X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)
4 SEM Hiển vi điện tử quét
Trang 9v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 13 Bảng 2.1: Thành phần hóa học chính của quặng Sắt Trại Cau-Thái Nguyên 32 Bảng 2.2: Kí hiệu các VLHP chế tạo được 33 Bảng 2.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các
nồng độ khác nhau 35 Bảng 2.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam với các
nồng độ khác nhau 36 Bảng 2.5: Số liệu đánh giá khả năng hấp phụ của NL và các VLHP đối với
metylen xanh và metyl da cam 37 Bảng 2.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP M3 45 Bảng 2.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của VLHP 47 Bảng 2.8: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh và metyl da cam
của VLHP vào khối lượng VLHP 50 Bảng 2.9: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào
thời gian 52 Bảng 2.11: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir 57
Trang 10vi
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Đường đẳng nhiệthấp phụ Langmuir 14
Hình 1.2: Đồ thị sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 14
Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 16
Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb 16
Hình 1.6: Công thức cấu tạo của metylen xanh 20
Hình 1.7: Công thức cấu tạo của MB+ 20
Hình 2.1: Giản đồ XRD của nguyên liệu 31
Hình 2.2 : Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ 34
Hình 2.3: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 35
Hình 2.4: Đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam 36
Hình 2.5: Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ metylen xanh và metyl da cam của NL và các mẫu VLHP 37
Hình 2.6: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 1 giờ 38
Hình 2.7: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 2 giờ 39
Hình 2.8: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 3 giờ 39
Hình 2.9: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 1500C trong 2 giờ 40
Hình 2.10: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 2 giờ 41
Hình 2.11: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2500C trong 2 giờ 41
Hình 2.12: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 3000C trong 2 giờ 42
Hình 2.13: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 4000C trong 2 giờ 42
Hình 2.14: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP M3 44
Hình 2.15: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP M3 45
Hình 2.16: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào pH 48
Hình 2.17: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam của VLHP vào pH 48
Hình 2.18: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào khối lượng VLHP 51
Hình 2.19: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam của VLHP vào khối lượng VLHP 51
Hình2.20: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấpphụ metylen xanh vào thời gian 53
Trang 11vii
Hình 2.21: Sự phụ thuộc của hiệu suấthấp phụ metyl da cam vào thời gian 53
Hình 2.22: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh 56
Hình 2.23: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với metylen xanh 56
Hình 2.24: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metyl da cam 56
Hình 2.25: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với metyl da cam 56
Trang 121
MỞ ĐẦU
Hiện nay, Việt Nam đang ở giai đoạn đầu xây dựng một nước công nghiệp Đây là giai đoạn tạo ra những tiền đề cơ bản cho công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước vì vậy vấn đề nhân lực có trình độ cao và vấn đề phát triển khoa học - công nghệ phải được đặt lên hàng đầu Khoa học - công nghệ thực sự trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp, là động lực cơ bản của sự phát triển Đặc biệt là ngành khoa học chế tạo vật liệu đang trên đà phát triển khá mạnh mẽ
Là một nước đang phát triển nên công nghiệp hóa - hiện đại hóa được xem như chìa khóa để phát triển đất nước Hiện nay, với hơn 800.000 cơ sở sản xuất công nghiệp và gần 70 khu chế xuất - khu công nghiệp tập trung đã đóng góp một phần rất lớn vào GDP của đất nước Công nghiệp càng phát triển thì vấn nạn ô nhiễm môi trường lại càng đáng lo ngại
Thuốc nhuộm hữu cơ là một trong những hóa chất gây độc môi trường sống của sinh vật dưới nước làm ô nhiễm nặng nguồn nước Các ngành công nghiệp dệt nhuộm, giấy, chất dẻo, da, thực phẩm, mỹ phẩm thường sử dụng các phẩm màu Do vậy, nước thải công nghiệp từ các xí nghiệp nhà máy này thường chứa ít nhiều các hóa chất màu nhuộm Hấp phụ là một trong những phương pháp hóa lý phổ biến và hiệu quả để khử màu nhuộm Nhiều loại chất hấp phụ khác nhau được biết đến trong ứng dụng này như than hoạt tính, zeolit, tro than, chitin và chitosan, v.v Một trong số chất hấp phụ được dùng nhiều nhất là than hoạt tính bởi nó có dung lượng hấp phụ chất hữu cơ cao Tuy nhiên, than hoạt tính thì giá thành cao và không tái sinh được Từ quan điểm này, các chất hấp phụ giá rẻ hơn từ chất liệu thiên nhiên, vật liệu sinh học, phế liệu công - nông nghiệp được đề xuất và triển khai ứng dụng trong việc loại bỏ thuốc nhuộm và các kim loại nặng trong nước
Là một trong những quốc gia giàu khoáng sản như quặng sắt, quặng mangan…Các loại quặng này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như luyện gang thép, nấu thủy tinh, pin khô…Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng chúng làm
Trang 132
vật liệu hấp phụ còn chưa được quan tâm nghiên cứu Xuất phát từ những lý do đó,
chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại
Cau - Thái Nguyên và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ”
Với mục đích đó trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu những nội dung sau:
- Chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên
- Nghiên cứu cấu trúc, hình thái học, diện tích bề mặt riêng của vật liệu bằng các phương pháp vật lý hiện đại như X-ray, BET, SEM…
- Đánh giá được khả năng hấp phụ một số hợp chất hữu cơ như metylen xanh, metyl da cam của các vật liệu chế tạo được
Trang 143
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Một số phương pháp chế tạo vật liệu
Để tổng hợp vật liệu có thể dùng nhiều phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống hoặc phương pháp mới như: phương pháp ngưng tụ pha hơi, phương pháp đốt cháy, phương pháp sol - gel,… Sau đây là một số phương pháp cụ thể để tổng hợp vật liệu
1.1.1 Phương pháp thủy nhiệt
Phản ứng trong dung dịch nước xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao gọi là phản ứng thủy nhiệt [20].Đó là dùng sự hoà tan trong nước của các chất tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao (hơn 100oC) và áp suất (lớn hơn 1atm) trong hệ kín Đầu tiên, trong bình thuỷ nhiệt chỉ bao gồm nước và các tiền chất rắn Khi nhiệt độ tăng, các tiền chất liên tục bị hoà tan, khiến cho nồng độ của chúng trong hỗn hợp lỏng ngày càng tăng lên và phản ứng hoá học xảy ra dễ dàng hơn Các phần tử cấu thành nên dung dịch ở giai đoạn này có kích thước nhỏ hơn tiền chất ban đầu Sau đó, hạ nhiệt độ sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ tạo thành chất mới Phương pháp này có đặc điểm là kết tủa đồng thời các hiđroxit kim loại ởđiều kiện nhiệt độ và áp suất cao, cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng do đó có thể điều chếđược nhiều vật liệu mong muốn
Các oxit kim loại thường được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết tủa và kết tinh Tổng hợp thủy nhiệt kết tủa sử dụng dung dịch muối tinh khiết của kim loại, còn tổng hợp thủy nhiệt kết tinh dùng hidroxit, sol hoặc gel Thành công của quá trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt phụ thuộc vào sự lựa chọn tiền chất, nhiệt độ, pH và nồng độ của chất phản ứng Trong phương pháp này thường sử dụng một số chất hữu cơ làm chất hoạt động bề mặt như cetyl trimetyl amoni bromua (CTAB), natri dodecyl sunfat (SDS), poli etylen glicol (PEG), etylen diamin (EDA)
Trang 154
Có thể kể ra một số ưu điểm của phương pháp này là: Thao tác đơn giản, có khả năng điều chỉnh kích thước hạt bằng nhiệt độ thủy nhiệt, có khả năng điều chỉnh hình dạng các hạt bằng cách sử dụng các dạng tiền chất khác nhau, thu được sản phẩm chất lượng cao, tinh khiết từ các vật liệu không tinh khiết ban đầu, quá trình sử dụng các phân tử tiền chất không phải là các khối vật liệu lớn, có thể dùng các nguyên liệu rẻ tiền để tạo các sản phẩm có giá trị, có thể sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau
Nhưng cũng có một số nhược điểm như: Tạo ra tạp chất không mong muốn, một
sốchất không thể hoà tan trong nước, do đó không thể dùng phản ứng thuỷ nhiệt Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm, tổng hợp được các vật liệu có kích thước hạt nanomet, tuy nhiên phương pháp này yêu cầu thiết bị tiến hành phản ứng tương đối phức tạp
1.1.2 Phương pháp kết tủa
Một trong các phương pháp quan trọng để điều chế oxit là phương pháp kết tủa Để thu được kết tủa có thành phần hóa học mong muốn, các tác nhân tạo kết tủa cần thỏa mãn điều kiện sau: phản ứng kết tủa phải xảy ra nhanh và sản phẩm kết tủa không tan trong dung môi Các tác nhân kết tủa có thể là dung dịch muối vô cơ hoặc hữu cơ Các muối vô cơ thường sử dụng là muối cacbonat, oxalat, hidroxit của natri, kali, amoni… Khi sử dụng dung dịch muối hữu cơ làm tác nhân kết tủa làm cho quá trình rửa kết tủa dễ dàng hơn Khả năng bay hơi cao của các hợp chất hữu cơ khi phân hủy tạo cho hạt mịn hơn Các tác nhân kết tủa trên cơ sở muối hữu cơ rất thích hợp cho sản xuất sản phẩm có độ mịn, độ đồng nhất cao theo tỉ lệ hợp thức mong muốn Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết tủa như nồng độ, tỉ lệ các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ và pH của dung dịch Các yếu tố trên cũng ảnh hưởng nhiều đến kích thước và diện tích bề mặt riêng của sản phẩm Chẳng hạn, khi tăng nhiệt độ kết tủa từ 400C lên 800C thì kích thước hạt MgO giảm từ 28,89 đến 14,48
nm và diện tích bề mặt riêng tăng từ 58 đến 116 m2/g [22] Ảnh hưởng của tác nhân tạo kết tủa đến diện tích bề mặt riêng của oxit cũng được tác giả [23] nghiên cứu