Tổng hợp vật liệu cho xử lý zn2+ và CN trong nguồn nước ô nhiễm

Đối tượng nghiên cứu 1.. Phương pháp tiến hành nghiên cứu 1.. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm... Tuy nhiên có th phân loạ ọc thành hai loại: hình thành v t li u nano từ pha lỏ t tủ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

KHOA HÓA HỌC - -

NGUỒN NƯỚC Ô NHIỄM

HÀ NỘI – 2017

Giáo viên hướng dẫn : PGS TS Lê Minh Cầm

Học viên : TRẦN VĂN TƯỜNG Lớp : K25

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

ả PGS TS L M C –

X ả C

ọ ă E

ả ắ TS N ễ T ị T H ạ ỉ ả

ò ă ọ E ả H L H ạ ọ ạ H N ả ạ ạ

ọ

E ả ị ạ

V ạ

tron

Em n c n t n c m n! Hà Nội, tháng 6 năm 2017 Họ

TRẦN VĂN TƯỜNG

Trang 3

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

N ạ ẽ ủ ă

ễ V ễ ỉ ủ

ủ ạ

S ị

C ễ

ủ ạ N ả ở ở ả ạ : ạ (Pb2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+ …) ỉ ả

C ồ ả ạ ừ

ạ … C ạ ả

ị ễ ẩ ổ

ủ ả ở

ả ễ ụ ả ĩ ọ

ạ

O ạ roxit ồ

ủ ạ K

ị ủ ạ

ủ D

“ ” ạ ễ ò ọ

ỉ ồ ủ ạ ủ M

ụ ạ ắ /

silic oxit, titan oxit, vv… ụ ạ trên các oxit / ạ ọ ồ oxit, niken oxit, coban oxit và ẽ oxit Nano ZnO ủa ă ò ụ

ủ nano Z O ụ

d ả ụ N Z O ò ủ ả ẩ ả

ẩ …

Trang 4

D ă : “TỔNG HỢP VẬT LIỆU CHO XỬ LÝ Zn 2+ và CN -TRONG NGUỒN NƯỚC Ô NHIỄM” ạ B H H

ụ ổ ạ Z O ả ă

Z (II) ủ ạ Z O ả ụ ẳ

ọ ủ ụ N ả ừ ă này hy ọ ẽ ổ Z O ụ Z O ụ ạ ả II Nhiệm vụ của đề tài 1 Tổ Z O ằ ọ ừ

2 X ị ủ Z O ổ

3 B ả ă ụ ủ ổ

ạ ả ằ ụ ọ ủ

ụ Zn(II) ò ả ừ 10oC - 29oC ( 283K- 302K) III Đối tượng nghiên cứu 1 Nano ZnO 2 D ị Z C 2 IV Phạm vi nghiên cứu - Q ò

V Phương pháp tiến hành nghiên cứu

1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên c u v c u trúc ZnO

- Nghiên c u lý thuy t v ẳng nhi t h p phụ Langmuir, Freundlich, Toth ng học bi u ki n b c 1, b c 2

- Nghiên các c lý và phân tích k t quả thí nghi m

2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Trang 5

- P ủ ằ (SEM, Scanning electron microscope ), truy n qua (TEM,

Transmission electron microscope) ễ ạ X (XRD, X-ray powder diffraction), phổ hồng ngoại bi ổi Furier (FT-IR, Fourier transform infrared), phổ tán sắ ă ng tia X-EDX/EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy),

- Ti n hành các thí nghi m h p phụ ion Zn(II) bằng nano ZnO

- X ị ng ion Zn (II) bằ ổ h p phụ nguyên t (AAS, Atomic Absorption Spectroscope)

- X lý k t quả ĩ ọc của các s li u th c nghi m thu

Hình 1.1 Các dạng cấu trúc của ZnO

(a) Rocksalt, (b) Zinc blende, (c) hexagonal wurtzite

D w z ạ ổ ị

C z Z O ỉ ằ

ạ áp

Hình 1.2 C Z O w z

Trang 7

C trúc hexagonal wurtzite (hình 1 2) ồ 2 ạ ồ

ụ M ạ ồ 4 ị

( II) ở 4 ạ ( VI) ạ ạ ạ ủ

Khí kích ủ ả ụ

ỏ ủ ổ ọ

Z O ụ

ả ụ N Z O ò

ủ ả ẩ ả

ẩ … ụ

tuy nhiên ở ă ả ă ụ ủ Z O

Zn(II), ụ ủ Z O I.2 Các phương pháp tổng hợp nano ZnO Hi n nay, có r t nhi c s dụ ch tạo ra các hạt nano kim loại t cách tổng th thì chỉ 2 : pháp từ trên xu ng (top- w ) ừ i lên (bottom-up)

Hình 1.3.P ư ng p áp c ế tạo ạt nano k m loạ oxit

Hình 1.4.Nguy n lý c ế tạo ạt nano k m loạ oxit bằng p ư ng p áp ng ền c ọc

T n, v t li u ở dạng b c tr n l n v i nh ng viên bi

c làm từ các v t li u r t c t trong m t cái c i Máy nghi n có th là nghi n lắc, nghi n rung ho c nghi n quay (còn gọi là nghi n ki u hành tinh) Các viên bi c ng va chạm vào nhau và phá v b c nano K t quả c là v t li u nano không chi u (các hạ ) P n dạ c s dụng v i các kỹ thu c

bi t nhằm tạo ra s bi n dạng c c l n (có th > 10) mà không làm phá hủy v t li u Nhi t

có th u chỉnh tùy thu c vào từ ng h p cụ th N u nhi gia công

l k t tinh lạ c gọi là bi n dạ ò c lạ c gọi là

bi n dạng ngu i K t quả c là các v t li u nano m t chi u (dây nano) ho c hai chi u (l p có chi u dày nm)

P ừ trên xu ng có m t s – m sau:

Trang 9

- Ư : ả n m ng l n v t li c hạt có

th xu n 2 – 10 nm

- N m: tạo ra hạ ồng nh phân b khá r ng, hạt bị khuy t t ng l n các tạp ch t, t n nhi ă ò ỏi thi t bị, công ngh ph c tạ …

Chính vì v c s dụng trong th c t

I.2.2 P ư ng p áp t dướ l n bottom-up)

Nguyên lý củ a trên vi c hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên t ho ng thông qua quá trình x lý v i các tác nhân hoá học, v t

lý, sinh họ … P từ c phát tri n r t mạnh mẽ vì s ti n l i và ồng nh t v m c của sản phẩm cu i cùng Ngoài ra, nh ò ỏi v máy móc, thi t bị, công ngh không quá ph c tạ T c

m là r t khó tạo ra m ng l n v t li u Ph n l n các v t li u nano mà chúng ta dùng

hi c ch tạo từ P ừ i lên có th pháp v t lý, hóa học ho c k t h p cả -lý

- P : ạo v t li u nano từ nguyên t ho c chuy n

P n pha: v t li c nung nóng rồi cho ngu i t thu

c trạ ịnh hình, x lý nhi xảy ra chuy ịnh hình – tinh th (k t ) ( ) P tạo các hạt nano, màng nano

- P ọ : ạo v t li u nano từ P hóa họ m là r ạng vì tùy thu c vào v t li u cụ th i ta phải thay

ổi kỹ thu t ch tạo cho phù h p Tuy nhiên có th phân loạ ọc thành hai loại: hình thành v t li u nano từ pha lỏ ( t tủa, sol-gel) và từ pha khí (nhi ) P tạo các hạt nano, dây nano, ng nano, màng nano, b …

Trang 10

- P t h : ạo v t li u nano d a trên các nguyên tắc

v t lý và hóa họ : ụ từ P tạo các hạt nano, dây nano, ng nano, màng nano, b …

Hình 1.5 Vật l ệu nano được c ế tạo t eo p ư ng p áp sol – gel

I.3 Tổng quan về kim loại nặng

I.3.1 G ớ t ệu s lược về k m loạ nặng

T ạ ồ ạ ạ … K ạ ễ ồ ồ

ằ ồ ạ ồ ị ễ ở ồ

Trang 11

ạ D ạ

ă

V ồ ạ : các ngành công ng ồ

ủ

I.3.2 K m loạ nặng trong nước I ạ

ạ T ị ạ ỏ

ắ ả ở ở

ạ L ỏ ạ ằ ở

ọ ỏ C ằ

ạ ạ ạ

ả ẽ

Q ạ

ạ T ủ ạ

6 C ạ ụ ủ ẩ ĩ

ủ ủ ằ ạ ị ẩ

Trang 12

ằ ạ ( ả ă

) ở ị Q

proto ạ ạ ả ẩ Q ọ ủ

ủ ạ ạ

V ỏ ằ ạ

ĩ ụ ủ ạ ả

D ạ ả ă

ỏ ĩ ạ ở ạ ( ủ so )

V +1 ( ạ )

ỏ ủ D ạ +1 ỉ ồ ạ ở ạ

V ạ +2 ạ

ỉ ả ă ẩ ở H ( ả ă ) ở ạ ỏ

ả ă ẩ ạ ạ M2+.6H2O↔ M2+.OH.5H2O+ H+ M2+.OH.5H2O ↔ M(OH)2.4H2O + H+ V ạ +3 ủ ủ ạ ả 3 ở H ò ả ở H ụ ắ (III) ở H > 8 5 V +4 ễ

ả 2 ạ : C 2O72-; CrO42- … ạ ồ ạ ị ẽ ồ ủ ạ

ẽ ạ ạ nguy ạ ủ …

I.4 Tổng quan về kẽm trong nước

H ẽ : (ZnS) và smithsonite (ZnCO3) Tổ ă ồ ị ẽ ổ ị 64Zn, 66Zn

Trang 13

và 68Z H ả 15 ồ ị ẽ ổ ị 65Z

ò ả ạ ụ ọ Kẽ ễ ạ ở ồ

N ả ẽ ừ ạ ả …C

ẽ ụ ụ Kẽ ụ ả ; ẽ ủ ; ẽ f

ụ ;…

Kẽ ò ỉ ừ ừ ồ ẽ ả

ẽ ẽ ừ … ả

ễ ồ

Kẽ ạ ị ẽ ẽ ẽ ỳ

Kẽ ủ C

ả 2 3 ẽ ị

Kẽ ẽ z …T

ả ở C

ồ ồ ụ … ă ừ 4-8 ẽ L 2 ẽ f ồ ạ

V ụ ả ở ẽ ồ ễ ẩ ạ ẽ ( 3-5 ) ẽ f ( 5

g) Theo PNEC (Predicted No Eff C ) ạ ủ Z

là 150 – 200 μ /L M ả ễ ion Zn(II): - P ủ : ủ ; ;…

- P ọ : ; ọ ; ụ z ;… - P : ẩ ; ụ ;…

- P ụ ổ : ụ; ổ

- P : ẩ ọ ; ọ ;… P ủ ả ồ ạ ả 1 ~ 100 /L ò ạ ả P

ọ ổ

ả ạ T ụ

ả ễ Y ụ

Trang 14

ụ N ụ ò ụ

ả hoàn ở ụ ồ ạ ụ ủ

I.5 Tổng quan về hấp phụ I.5.1 H ện tượng ấp p ụ H ụ ọ ả ỏ ị

ắ C ỏ ọ ị ụ (adsorbent); ắ ọ ụ ( ) ị ụ ọ

Q ạ ủ ụ ọ ả ụ ả ụ H ụ ả ắ ồ (ion ) ằ ạ ạ (

ị ) ạ ( ) T

( ) ằ ở ằ

( ỏ ) ắ

ủ ằ K ả ồ ủ ị ụ ở

V ụ ă ồ ủ (

ỏ ) ( ắ - ắ – ỏ ) C ụ ả ă ụ T

ụ ( ) ủ ị ụ ụ ằ T ả

ạ ụ ụ ụ ọ I.5.2 P n loạ các dạng ấp p ụ T ụ ( n t ) ủ ị ụ

ụ ằ T ụ

2 ạ ụ: ụ ụ ọ

So sánh:

phân t , là l c vandevan,

T ạnh: liên k t

c ng hóa trị, liên k t ion,

Trang 15

l ĩ … liên k t ph …

T h p phụ T ng nhanh T ng ch m C p p Nă ng hoạt hóa Th p Cao Thu n nghịch ở mọi nhi ở nhi cao I.5.3 Hấp p ụ trong mô trường nước T ị ụ ụ

3 : ụ ị

ụ D ủ ả ụ ạ

ị ụ ụ C ạ

ụ ả T ọ ọ ủ ụ :

ủ ị ụ ị ủ ụ ị ủ ị ụ S ụ ụ

ị ụ

ụ ủ

I.5.4 C n bằng ấp p ụ Q ụ ị C ị ụ

ụ ụ ạ

T ị ụ ụ ắ

ở ạ ụ ằ ả ụ ạ ằ

M ụ ạ ạ ằ ị ụ ủ ồ ủ ị ụ: = f(T P C) Ở ổ (T= ) ễ ụ ủ P( C) ọ ẳ ụ I.5.4.1 P ư ng trìn đẳng n ệt ấp p ụ Langmu r ả ụ ụ

ụ P ả :

 T ị ụ ạ ị

Dạ ủ F

e T C K

C q K

)(

Quá trình h p phụ ng xảy ra gồm nhi ạn n i ti p nhau: chuy n ch t,

khu ch tán trên b m … M t khác quá trình h p phụ còn chịu ả ởng của nhi u y u

t : u trúc v t li u h p phụ, ch t bị h p phụ… V ng học của quá trình h p

phụ th ng r D ng s dụ ng

học bi u ki mô tả ng học của quá trình h p phụ

I.5.5.1 P ư ng trìn động ọc b ểu k ến bậc 1 của Lagergren

P ng học h p phụ bi u ki n b c nh xu t bởi Lagergren có dạng

Trang 18

I.5.5.2 P ư ng trìn động ọc b ểu k ến bậc 2

P ng học h p phụ bi u ki n b c hai có dạng vi phân:

V ạ :

T : 2 ( /( )) ằ ụ

Từ (1 8) (2 0) ị ủ theo

ị ị ằ ồ

Kết luận: Tổ ạ Z (II) nói riêng làm ô ễ ồ ả ở ọ ỏ C

ạ ụ ổ

ả ủ

C ụ ĩ

ả ĩ ụ N ẽ ổ ễ ừ ụ

ụ ạ ẽ oxit tr ạ ò T ở ổ ủ ă :

+ Tổ Z O ằ ủ Kẽm clorua ZnCl2 + ổ nano ZnO + T ụ ằ ọ

ụ ủ Z O ion Zn(II)

+ N ằ ụ ọ ọ ủ ụ ion Zn(II) ở Z O

Trang 19

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM

II.1 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu

Nguyên lý củ ễu xạ tia X:

Hình 2.1 Nguy n lý của p ư ng p áp n ễu ạ t a X

C X c sóng λ chi u vào hai b m t cách nhau m t khoảng cách d v i góc t i θ Góc gi a chùm tia t i và chùm tia nhiễu xạ là 2θ Khi xảy ra c ởng thì khoảng cách (A+B) phải bằng m t s nguyên l c sóng nλ

X ảng cách (A+B), v i hai pháp tuy n vuông góc v i chùm tia t i và chùm nhiễu

Trang 20

T ực ng ệm: C ủ Z O ễ

ạ X( D8 Advance – B ( ) ạ Kh H ọ – ạ ọ K ọ T N ;

ụ ằ C ằ 0 15406 và 2θ ổ ừ 20 – 80o II.1.2 P ư ng p áp kín ển v đ ện tử quét – SEM K (S E M ) ạ

ạ ả ả ủ ằ ụ

( ) ẹ

N ắ ủ ạ ả ủ

ả ỳ ạ ạ

ụ C ạ ừ ụ ẽ

ụ C

ả ạ ổ ạ ạ

ạ M

ủ ụ

ủ ạ ụ ụ ủ

ả ủ

T ực ng ệm: C ụ ả F E S E

Microscope S-4800 ạ V V ị ễ T

II.1.3 P ư ng p áp kín ển v đ ện tử truyền qua - TEM P TEM ụ ạ ả ủ ả

ỳ ẽ ạ

C ạ ừ 2 ụ ẽ ụ

K ẽ

C ổ ạ ạ ạ

ả ả ụ

ụ ạ

T ực ng ệm: C ủ ị TEM

Philips Tecnai 10 M V ị ễ T

ả ọ K ạ ồ

ạ ẽ ụ ồ ạ ở ( ) ủ D ụ

Trang 22

II.1.7 T uyết đẳng n ệt ấp p ụ-k ử ấp p ụ N 2 (BET)

Nguyên lý: Mô hình BET ụ ụ

P BET 3 ả ả : i)E ụ ủ

ụ ằ ỏ ; ii)K

ị ụ; iii)S ụ ở ở bão hòa

ừ ồ ị ( ) ủ ạ ẳ OA ị ủ

ủ Vm (cm3.g-1) ằ C ( 2 3)

1

II.2 Tổng hợp nano ZnO

II.2.1 P ư ng p áp kết tủa óa ọc dùng Natr cacbonat

II.2.2 P ư ng p áp kết tủa trong mô trường k ềm

II.2.2.1 Hóa chất

II.2.2.2 Cách tiến hành

Phản ng hóa học của quá trình tổng h p:

Zn(OH)2 ZnO + H2O

Bước 1: C ẩ ị ị N OH 0 05 M( A) ằ ò 0 2 N OH 100

Trang 25

Bước 2: C ẩ ị ị ZnCl2 0 025M ( B) ằ ò 3 4 ZnCl2 trong 100ml

Bước 3: Nhỏ ừ ừ ịch NaOH (dd A) xu a dung dich ZnCl2 (dd B) ở trên v i

1 Axit oxalic (C2H2O4.2H2O) Trung Qu c

II.2.3.2 Các t ến n

P ọ ủ ổ :

ZnCl2 + C2H2O4 ZnC2O4 +2 HCl ZnC2O4 ZnO + CO + CO2

Bước 1: C ẩ ị ị ẽ 0 25M ằ ò 3 4 Z C 2 ị

ạ ủ ị 100

Bước 2: C ẩ ị ị 0 5 M ằ ò 6 3 C2H2O4.2H2O c ịnh m n vạch củ ịnh m c 100 ml

Bước 3: L 30 ị ZnCl2 0 25M ( A) 30 ị 0 5 M ( B)

Nhỏ ừ ừ ịch (dd A) xu a dung dich axit oxalic(dd B) ở trên v i t ỏ