Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở nanocomposite của sio2 và ống nanocarbon từ vỏ trấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Hà

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Hà

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ

ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số : 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Trần Hùng PGS.TS Nguyễn Văn Nội

Hà Nội - 2014

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU Error! Bookmark not defined 1.1.1 Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta Error! Bookmark not defined

1.1.2 Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp Error! Bookmark not defined

1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON Error! Bookmark not defined

1.2.1 Giới thiệu về vật liệu nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.2.3 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon Error! Bookmark not defined 1.2.4 Ứng dụng vật liệu nano cacbon trong xử lý nước Error! Bookmark not defined

1.3 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ Error! Bookmark not defined 1.3.1 Hiện tượng hấp phụ Error! Bookmark not defined 1.3.2 Hấp phụ trong môi trường nước Error! Bookmark not defined 1.3.3 Động học hấp phụ Error! Bookmark not defined 1.3.4 Cân bằng hấp phụ- Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Error! Bookmark not defined

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM CHÌ Error! Bookmark not defined

1.4.1 Các dạng tồn tại của kim loại Chì Error! Bookmark not defined 1.4.2 Độc tính của chì Error! Bookmark not defined

1.4.3 Ứng dụng của chì Error! Bookmark not defined 1.4.4 Các phương pháp xử lý ô nhiễm chì Error! Bookmark not defined 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.1.1 Mục tiêu Error! Bookmark not defined 2.1.2 Nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2 Hóa chất, dụng cụ Error! Bookmark not defined 2.2.1 Dụng cụ - Thiết bị Error! Bookmark not defined 2.2.2 Hóa chất Error! Bookmark not defined 2.3 Các phương pháp sử dụng trong thực nghiệm Error! Bookmark not defined

2.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng SiO2 Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 2.3.3 Nhiễu xạ Rơnghen X (X-ray diffraction XRD) Error! Bookmark not defined

2.3.4 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS Error! Bookmark not defined

2.4 Chế tạo vật liệu Error! Bookmark not defined 2.4.1 Chế tạo nano silica Error! Bookmark not defined

2.4.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT Error! Bookmark not defined

2.4.3 Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT Error! Bookmark not defined

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Chế tạo nano silica Error! Bookmark not defined 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của công đoạn xử lý axit Error! Bookmark not defined.

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ nung 54

3.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT 58 3.3 Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT Error! Bookmark not defined

3.4 Khảo sát, đánh giá đặc tính của vật liệu Error! Bookmark not defined 3.4.1 Kết quả phân tích ảnh SEM Error! Bookmark not defined 3.4.2 Kết quả phân tích XRD Error! Bookmark not defined

3.5 Khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh ion Pb2+

của vật liệu Error! Bookmark not defined

3.5.1 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Pb2+

Error! Bookmark not defined

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+

Error! Bookmark not defined

3.5.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+của vật liệu Error! Bookmark not defined

3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb2+ Error! Bookmark not defined

3.6.1 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của CNT Error! Bookmark not defined

3.6.2 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+

của nano silica Error! Bookmark not defined

3.6.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+

của nano composite chưa biến tính

Error! Bookmark not defined 3.6.4 Đánh giá tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

Tài liệu tham khảo 73

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Trần Hùng

và PGS.TS Nguyễn Văn Nội đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thành luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh, chị tại Viện Hóa Học Vật liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Quân Sự đã chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Nhân dịp này em xin được chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Hóa Môi trường và Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ, trang bị cho em các kiến thức khoa học cơ bản trong suốt quá trình tôi học tập tại trường

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 08 tháng 11 năm 2014

Bùi Thị Hà

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1 Sơ đồ quy trình thu hồi Si từ trấu 4

Hình 2 Sơ đồ quy trình thu hồi SiO 2 từ tro đốt 6

Hình 3 Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen 10

Hình 4 Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNT 11

Hình 5 Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT 12

Hình 6 Mô tả cấu trúc của SWCNT 12

Hình 7 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22

Hình 8 Đồ thị sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb 22

Hình 9 Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Pb 23

Hình 10 Tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 34

Hình 11 Quy trình chế tạo nano silica từ trấu 37

Hình 12 Sơ đồ quá trình biến tính SiO 2 /CNT bằng hỗn hợp axit 38

Hình 13 Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào thời gian xử lý 41

Hình 14 Sự phụ thuộc hàm lượng Si vào nhiệt độ xử lý 42

Hình 15 Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào tỉ lệ trấu/axit 43

Hình 16 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 45

Hình 17 Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 46

Hình 18 Ảnh SEM của nano silica 49

Hình 19 Ảnh SEM của nanocomposite SiO 2 /CNT 49

Hình 20 Kết quả đo XRD của vật liệu nanocomposite 50

Hình 21 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 51

Hình 22 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 52

Hình 23 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với Pb 2+ 54

Hình 24 Đường thẳng xác định hệ số của phương trình Langmuir với Pb 2+ 54

Hình 25 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 56 Hình 26 Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của CNT với Pb 2+

57 Hình 27 Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của nano silica với

Pb 2+ 58

Hình 28 Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của vật liệu chưa biến tính với Pb 2+ 59 Hình 29 Khả năng hấp phụ Pb 2+

của vật liệu 60

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 20

Bảng 2 Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào thời gian xử lý 40

Bảng 3 Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào nhiệt độ xử lý 42

Bảng 4 Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào tỉ lệ trấu/axit 43

Bảng 5 Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào số lần tái sử dụng 44

Bảng 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 45

Bảng 7 Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 46

Bảng 8 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến kích thước hạt SiO 2 47

Bảng 9 Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến khối lượng vật liệu 48

Bảng 10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb 2+ 51 Bảng 11 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb 2+ 52

Bảng 12 Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb 2+ 53

Bảng 13 Kết quả khảo sát nhiệt độ tối ưu hấp phụ Pb 2+ 55

Bảng 14 Kết quả khảo sát Langmuir với CNT 56

Bảng 15 Kết quả khảo sát Langmuir với nano silica 58

Bảng 16 Kết quả khảo sát Langmuir với vật liệu chưa biến tính 59

Bảng 17 Tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb 2+ 60

CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Tài liệu tiếng Việt

1 Phùng Văn Bé, Lê Tự Hải (2011), “Nghiên cứu tách ion Pb2+

trong dung dịch

nước bằng vật liệu hấp phụ tanin chiết tách từ vỏ keo tai tượng”, Tạp chí Khoa

học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 1(42) 2011

2 Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong xử lý nước và nước thải, Nxb

Thống kê, Hà Nội

3 Trương Hoài Chính, Huỳnh Quyền, “Nghiên cứu quy trình thu hồi Silica từ tro

trấu, ứng dụng tổng hợp phụ gia cho xi măng mác cao” (Phần 1), Tạp chí khoa

học và công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 8(57) 8 -14, 2012

4 Bùi Danh Đại (2005), Nghiên cứu chế tạo microsilica từ tro trấu thay thế muội

silic trong bê tông chất lượng cao, Hà Nội

5 Trần Văn Đức (2012), Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu 2+ và Zn 2+ trong nước bằng vật liệu SiO 2 tách từ vỏ trấu, luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại

học Đà Nẵng

6 Nguyễn Đình Huề (1982), Giáo trình Hóa lí, Nxb Giáo dục, Hà Nội

7 Nguyễn Vĩnh Khanh, Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn thay thế than

đá từ chất thải rắn và tro trấu, Trường ĐH Nguyễn Tất Thành

8 Nguyễn Ngọc Linh, Nguyễn Thị Thanh Thúy, Lê Đức Trung (2007), “Sử dụng vật liệu hấp phụ tự nhiên để xử lý kim loại nặng trong bùn thải công nghiệp”,

Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 10, số 01-2007

9 Trần Văn Nhân, Hồ Thị Nga (2005), giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Nxb

Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội

10 Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (1998), Hóa lý tập 2, Nxb

Giáo dục, Hải Phòng

11 Nguyễn Tiến Tài (2012), “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ mới từ trấu bằng phương pháp nhiệt phân trên thiết bị phản ứng tầng

sôi”, Báo cáo kết quả khoa học công nghệ đề tài, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam

12 Nguyễn Trung Thành, Nguyễn Thị Thùy Trang, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn

Thy Thy, Lê Ngọc Hằng, Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò gạch thủ công làm

chất hấp phụ metyl da cam, Trường Đại học An Giang, Trung tâm Quan Trắc

và kĩ thuật tài nguyên – Môi trường An Giang

13 Phạm Đình Vũ, Võ Thị Thanh Châu, Đinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa (2008),

“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nao quản trung bình MCM – 41 với nguồn oxit

silic được điều chế từ vỏ trấu”, Tạp chí Hóa học và ứng dụng, số 5(77), tr

47-49

Tài liệu tiếng Anh

14 A Borrell, V.G Rocha, R.Torecillas, A Fernánder (2011),“ Surface coating on carbon nanofibers with alumina precursor by different synthesis routes ”,

Composites Science and Technology, pp 18-22

15 B.Xing, K.Yang, L.Zhu (2006), “Pollution prevention and treatment using

nanotechnology”, Environ.Sci.Technol, 40, pp.18-55

16 Bui, D D., et al Particle size effect on the strength of rice husk ash blended

gao-graded Portland cement concrete Cement and concrete composites Vol

27, pp 357-366, 2005

17 Dao Van Dong, Pham Duy Hưu, Nguyen Lan (2008), “Effect of rice husk ash

on properties of hight strength concrete”, The 3 rd ACF international conference-ACV/VCA

18 G Roy Chaudhury, PK Dash, VN Misra, K Srinivasa Rao, D Sarangi (2005),

“Treatment of waste water containing Pb and Fe using ion-exchange

techniques”, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 80, 892-898

19 H Figueiredo, B Fonseca, C Quitelas, Z Rocha, B Silva, T Tavares (2009),

“Removal of Cd(II), Cr(IV), Fe(III) and Ni(II) from aqueous solution by an

E.coli biofilm supported on kaolin”, Chem Eng J, 149, pp 319-324

20 H S Nalwa (2000), Handbook of Nanostructure Materials and

Nanotechnology, Volume 5: Organics Polymers, and Biological Materials,

Copyright by Academic Press 19 H Figueiredo, B Fonseca, C Quitelas, Z

Rocha, B Silva, T Tavares (2009), Removal of Cd(II), Cr(IV), Fe(III) and

Ni(II) from aqueous solution by an E.coli biofilm supported on kaolin, Chem

Eng J, 149, pp 319-324

21 K.B.Ashim, K.N Tarun, K.D Sudip (2009), “Adsorption of Cd(II) and Pb(II)

from aqueous solution on activated alumina” Colloid Interface Sci, 333, pp

14-26

22 M Janik Czachor, J Tasny (1992), “A SER investigation of Fe(bpy)3+ complex

on silver”, Electrochimica Acta, 37(12), pp 2347 – 2352

23 M.T Laumakis, P.J Martin, K Owens, S Pamucku (1995), Proceeding of the

International Conference on Hazard Waste Management, New York: ASCE, ,

pp 528-535

24 P.J.F Haris (1990), Carbon nanotubes and related structure – new materials for

the twenty-first century, Cambridge, Cambridge University Press

25 Poinern (2010), “Preparation, characterization and As (V) adsorption behaviour

of CNT-ferrihydrite composites”, International Journal of Engineering, Science

and Technology, pp 13-24

26 Quingge Feng, Qingyu Lin, Fuzhong Gong, Shuichi Sugita, Masami Shoya

(2004), Adsorption of lead and mercury by rice husk ash, Journal of Colloidand

Interface Science 278, 1-8

27 R.Q.Long, R.T.Yang (2001), “Carbon nanotubes as superior sorbent for dioxin

removal”, J.Am.Chem.Soc, 123, pp 20-58

28 Renata S Amais, Juliana S.Ribeiro, Mariana G.Segatelli, InezV.P.Yoshida, Pedro O.Luccas, Cesar R.T.Tarley (2007), “Aseessment of nanocomposite alumina supported on multi-wall carbon nanotubes as sorbent for on-line nikel

preconcentration in water samples”, Separation and Purification Technology

58, pp 122-128

29 S D Genieva, S Ch Turmanova, A S Dimitrova, L T Vlaev (2008),

“Characterization of rice husks and the products of its thermal degradation in air

or nitrogen atmosphere”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol

93, 2, 387-396

30 S Iijima and T Ichihashi (1993), Nature, 363, pp 603-605

31 S Iijima (2002) Phiscal B 323, pp 1-5

32 Saowaroj Chuayjuljit, Supparat Eiumnoh, Pranut Potiyaraj (2001), Using Silica

from Rice Husk as a Reinforcing Filler in Natural Rubber, J Sci Res Chula

Univ., Vol 26, No 2

33 Shilpi Agarwal, Vinod K Gupta, Tawfik A Saleh (2011), “ Synthesis and characterization of alumina – coated carbon nanotubes and their application for

lead removal”, Journal of Hazardous Materials, 185, pp 17-23

34 Shu Guang Wang (2007), “Removal of lead (II) from aqueous solution by

adsorption onto manganese oxide coated carbon nanotubes”, Separation and

Purification Technology, 58, pp 17-23

35 Ho Si 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 integrantion”, 12-14

September, pp 806-816