Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (tt)

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SẮT OXI-HYĐROXIT (FeOOH) THỬ NGHIỆM XỬ LÝ

MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Mã số: ĐH2014-TN07-07

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Đình Vinh

Thái Nguyên, 7/2017

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

- -

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SẮT OXI-HYĐROXIT (FeOOH) THỬ NGHIỆM XỬ LÝ

MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Mã số: ĐH2014-TN07-07

Xác nhận của tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài

Thái Nguyên, 7/2017

i

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ

PHỐI HỢP CHÍNH

I Thành viên thực hiện đề tài

- TS Trương Thị Thảo - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- TS Bùi Minh Quý - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- ThS Nguyễn Thị Ngọc Linh - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

II Đơn vị phối hợp thực hiện

Phòng Hóa Vô cơ - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

ii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam 1

1.1.4 Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước 1

1.1.4.1 Phương pháp kết tủa hóa học 2

1.1.4.2 Phương pháp trao đổi ion 2

1.1.4.3 Phương pháp điện hóa 2

1.1.4.4 Phương pháp sinh học 2

1.1.4.5 Phương pháp hấp phụ 2

1.2 Tổng quan về vật liệu α-FeOOH 2

1.2.1 Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt 2

1.2.2 Vật liệu goethite, α-FeOOH 2

1.2.2.1 Giới thiệu 2

1.2.2.2 Cấu trúc tinh thể 2

1.2 2.3 Phương pháp tổng hợp 2

1.2.2.4.Ứng dụng của goethite 2

1.3 Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH 2

1.3.1 Cơ sở lí thuyết 2

1.3.2 Sự hấp phụ của vật liệu FeOOH 2

1.4 Ứng dụng của vi sóng trong tổng hợp vật liệu 2

1.5 Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu 2

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD 2

1.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 2

1.5.3 Phương pháp phân tích nhiệt 2

1.5.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET 2

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2

2.1 Hóa chất và thiết bị 2

2.1.1 Hóa chất 2

2.1.2 Thiết bị 2

2.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH 2

2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của giá trị pH 2

2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt dộ 2

2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sóng 3

2.3 Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu 3

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 3

2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét 3

2.3.3 Phương pháp phân tích nhiệt 3

2.3.4 Phương pháp phổ hồng ngoại 3

iii

2.3.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt BET 3

2.4 Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trên vật liệu goethite 3

2.4.1 Thí nghiệm hấp phụ 3

2.4.2 Xác định hàm lượng KLN trong dung dịch bằng phương pháp F-AAS 3

2.4.2.1 Dựng đường chuẩn 3

2.4.2.2 Xác định hàm lượng KLN trong dung dịch sau hấp phụ 3

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3

3.1 Chế tạo vật liệu α-FeOOH 3

3.1.1 Ảnh hưởng của pH 3

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 3

3.1.3 Ảnh hưởng của vi sóng 4

3.1.4 Một số đặc trưng của vật liệu 5

3.1.4.1 Thông số mạng 5

3.1.4.2 Độ bền nhiệt 5

3.1.4.3 Phổ hồng ngoại FT-IR 6

3.1.4.4 Diện tích bề mặt 6

3.2 Kết quả nghiên cứu hấp phụ Pb và Cd 7

3.2.1 Hấp phụ ion riêng rẽ 7

3.2.1.1 Ảnh hưởng của pH dung dịch 7

3.2.1.2 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ 7

3.2.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và đường đẳng nhiệt hấp phụ 9

3.2.2 Hấp phụ hỗn hợp ion 11

3.3 Kết quả nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) 11

3.3.1 Ảnh hưởng của pH dung dịch 11

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ 12

3.4.3 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và đường đẳng nhiệt hấp phụ 13

KẾT LUẬN 15

iv

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Giản đồ XRD của mẫu hình thành ở các giá trị pH khác nhau 3

Hình 3.2 Giản đồ XRD của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau 4

Hình 3.4 Giản đồ XRD của các mẫu được tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng 4

Hình 3.5 Ảnh SEM của các mẫu hình thành dưới tác động của vi sóng 5

Hình 3.6 Giản đồ XRD của các mẫu được tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng 5

Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu geothite 6

Hình 3.8 Phổ hồng ngoại của vật liệu 6

Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) 7

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) 8

Hình 3.11 Đường biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) 8

Hình 3.12 Đường biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) 8

Hình 3.13 Dung lượng hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite với các nồng độ ion Pb(II) và Cd(II) ban đầu khác nhau 9

Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite 10

Hình 3.16 Sự biến đổi của dung lượng hấp phụ ion kim loại trên goethite ở các nồng độ Cd(II) ban đầu khác nhau 11

Hình 3.17 Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các giá trị pH khác nhau 12

Hình 3.18 Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các khoảng thời gian khác nhau 12

Hình 3.19 Đường biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Cr(VI) 12

Hình 3.20 Đường biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Cr(VI) 13

Hình 3.21 Sự phụ thuộc của độ hấp phụ và dung lượng hấp phụ Cr(VI) vào nồng độ Cr(VI) ban đầu 13

Hình 3.22 Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite 14

Hình 3.23 Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite 14

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Kết quả BET của mẫu goehtie 7 Bảng 3.2 Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite 9 Bảng 3.3 Các thông số của phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich đối với sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite 10 Bảng 3.4 Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) trên goethite 13 Bảng 3.5 Các thông số của phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich đối với sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite 14

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TGA (Thermal Gravimetric Analysis) Phân tích nhiệt trọng lƣợng DTA (Differential Thermal Analysis) Phân tích nhiệt vi sai SEM (Scanning Electron Microscopy) Hiển vi điện tử quét TEM (Transmission Electron Microscopy) Hiển vi điện tử truyền qua AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) Phổ hấp thụ nguyên tử FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) Phổ hồng ngoại

vii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước

- Mã số: ĐH2014 - TN07 - 07

- Chủ nhiệm: TS Nguyễn Đình Vinh

- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: 01/2014 - 12/2015

2 Mục tiêu:

- Xác định được các điều kiện tối ưu để tổng hợp các oxi-hydroxit sắt với kích thước nanomet

- Khảo sát được các đặc trưng của các sản phẩm tổng hợp được bằng các phương pháp hiện đại

- Xác định được hiệu quả hấp phụ các kim loại nặng của vật liệu

3 Tính mới, tính sáng tạo:

- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu nano FeOOH

- Đánh giá khả hấp thụ một số kim loại nặng của vật liệu tổng hợp được

4 Kết quả nghiên cứu:

- Khảo sát được các yếu tố như pH, nhiệt độ và vi sóng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu FeOOH

- Phân tích các đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp hiện đại

- Đánh giá khả năng hấp phụ một số kim loại nặng như Pb, Cd, Cr của vật liệu chế tạo được

5 Sản phẩm:

5.1 Sản phẩm khoa học:

Có 02 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học

1 Nguyễn Đình Vinh, Ngô Thị Hồng Thu, Đào Quốc Hương, Nguyễn Thị Hạnh (2015), “Nghiên

cứu sự ảnh hưởng của giá trị pH và nhiệt độ đến sự hình thành goethite”, Tạp chí Hóa học,

53(3e12), tr 365-369

viii

2 Nguyen V D., Kynicky J., Ambrozova P., Adam V (2017), “Microwave-Assisted Synthesis of

Goethite Nanoparticles Used for Removal of Cr (VI) from Aqueous Solution”, Materials 10(7), pp

783

5.2 Sản phẩm đào tạo:

* 03 đề tài sinh viên NCKH đã nghiệm thu:

1 Ngô Thị Hồng Thu (2015), Thiết kế quy trình xử lý một số kim loại nặng trong nước, Đề tài sinh viên

nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên

2 Lự Thị Nga (2015), Thiết kế quy trình xử lý một số chất hoạt động bề mặt trong nước, Đề tài sinh

viên nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên

3 Phan Thị Huệ (2016), Tổng hợp vật liệu nano goethite với sự hỗ trợ của vi sóng, thử nghiệm hấp thụ

ion Cr(VI) trong nước, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái

Nguyên

* 01 luận văn thạc sĩ đã nghiệm thu

Phạm Thị Phương Thảo (2017), Ngiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu goethite

ứng dụng xử lý một số kim loại nặng, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái

Nguyên

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

- Khả năng áp dụng: Ứng dụng xử lý các kim loại nặng trong nước

- Phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu: Có thể cung cấp vật liệu và quy trình xử lý cho các cá nhân tổ chức

Ngày tháng 07 năm 2017

Tổ chức chủ trì

(ký, họ và tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

TS Nguyễn Đình Vinh

- Major researcher: TS Nguyễn Đình Vinh

- Implementirng institution: TNU - University of Sciences

- Duration: from 01/2014 to 12/2015

2 Objective:

- Determine the optimal condition for synthesis of iron oxyhydroxide nano materials

- Characterize the obtained materials by modern methods

- Determine the feasibility of heavy metal removal by obtained materials

3 Creativeness and innovativeness:

- In this project, microwave was used to support the synthesis of FeOOH nano materials

- The feasibility of heavy metal removal by using obtained materials was evaluted

4 Research results:

- Investigated some factors such as pH, temperature, and microwave that impact on the synthesis process of FeOOH material

- Characterized the obtained materials by modern methods

- Determined the feasibility of heavy metal removal by obtained materials

5 Product:

5.1 Scientific product:

Two papers were published on scientific journals

1 Nguyen Dinh Vinh, Ngo Thi Hong Thu, Đao Quoc Huong, Nguyen Thi Hanh (2015), “Study on

the effect of pH and temperature on the formation of goethite”, Vietnam Journal of Chemistry,

53(3e12), pp 365-369

2 Nguyen V D., Kynicky J., Ambrozova P., Adam V (2017), “Microwave-Assisted Synthesis of

Goethite Nanoparticles Used for Removal of Cr (VI) from Aqueous Solution”, Materials 10(7), pp

783

5.2 Training product:

* Three research projects of students were evaluated:

x

1 Ngo Thi Hong Thu (2015), Design treatment process of some heavy metals in water, Student

research project, TNU - University of Sciences

2 Lu Thi Nga (2015), Design treatment process of some surfactants in water, Student research

project, TNU - University of Sciences

3 Phan Thi Hue (2016), Microwave-assisted synthesis of goethite nano material used for Cr(VI)

adsorption in water, Student research project, TNU - University of Sciences

* One master thesis was evaluated

1 Pham Thi Phuong Thao (2017), Study on structural characteristics and properties of goethite

material used for treating some heavy metals in water, Master thesis, TNU - University of Sciences

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach results:

.- Ability to apply: Used for treating some heavy metals in water

- Procedure transfer research results: Provide materail and treatment process for private or companies

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ô nhiễm nước bởi các kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt là một vấn đề toàn cầu Nó phá hủy hệ sinh thái và gây nguy hại đến sức khỏe loài người do đó việc tìm ra các biện pháp khắc phục và các phương pháp xử lý nước có vài trò rất quan trọng đối với sự phát triển của mỗi quốc gia Trong những năm gần đây, các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu khác nhau để ứng dụng trong sử lý nước, trong đó vật liệu hấp phụ tỏ ra có khả năng ứng dụng rất lớn, đặc biệt là các loại vật liệu có chứa sắt như các oxit sắt, các composit chứa sắt…

Các oxi-hydroxit sắt có nhiều ưu điểm như khả năng hấp phụ tốt đối với các ion kim loại nặng

và chất hoạt động bề mặt, hơn nữa chúng có độ bền cao và đơn giản trong việc chế tạo nên đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đưa vào ứng dụng một cách hiệu quả trong xử lý nước Tuy nhiên, ở Việt Nam thì loại hợp chất này chưa được sử dụng nhiều trong quy trình xử lý nước, do đó việc nghiên cứu tổng các oxi-hydroxit sắt cũng như việc xây dựng quy trình công nghệ để

xử lý nước bằng các loại vật liệu này có nhiều ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn Bằng việc nghiên cứu các điều kiện thích hợp để tổng hợp vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển lý thuyết về điều kiện hình thành, cấu trúc cũng như các đặc tính của loại vật liệu này Việc xây dựng quy trình ứng dụng loại vật liệu này trong xử lý nước có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn trong việc loại bỏ các chất ô nhiểm ra khỏi nước, hơn nữa nó phù hợp với xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học trong và ngoài nước

Do đó việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử

nghiệm xử lý môi trường nước” có nhiều ý nghĩa về khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu của đề tài

- Chế tạo thành công vật liệu nano goethite

- Thử nghiệm khả năng hấp phụ các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) trên vật liệu

3 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu các yếu tố pH và nhiệt độ để tối ưu hóa điều kiện tổng hợp goethite;

- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu để nâng cao hiệu quả của quá trình;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) đến quá trình hấp phụ các ion này trên vật liệu goethite

- Nghiên cứu các mô hình động học và đường đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về kim loại nặng

1.1.1 Định nghĩa

1.1.2 Ảnh hưởng của một số kim loại nặng tới sinh vật và con người

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam

1.1.4 Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước

2

1.1.4.1 Phương pháp kết tủa hóa học

1.1.4.2 Phương pháp trao đổi ion

1.1.4.3 Phương pháp điện hóa

1.1.4.4 Phương pháp sinh học

1.1.4.5 Phương pháp hấp phụ

1.2 Tổng quan về vật liệu α-FeOOH

1.2.1 Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt

1.2.2 Vật liệu goethite, α-FeOOH

1.3.2 Sự hấp phụ của vật liệu FeOOH

1.4 Ứng dụng của vi sóng trong tổng hợp vật liệu

1.5 Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD

1.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

1.5.3 Phương pháp phân tích nhiệt

1.5.4 Phổ hồng ngoại

1.5.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất và thiết bị

2.1.1 Hóa chất

2.1.2 Thiết bị

2.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH

2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của giá trị pH

Chuân bị 6 cốc chịu nhiệt và cho vào mỗi cốc 100 ml dung dịch Fe(NO3)3 0.1 M Tiếp theo, các dung dịch này được điều chỉnh đến các giá trị pH 4.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0 và 14.0 đồng thời được khấy liên tục Sau đó hỗn hợp được gia nhiêt ở nhiệt độ 70oC trong vòng 24 h Kết tủa hình thành được lọc

và rửa lại 3 lần bằng nước cất và sấy ở 70oC trong 24 h

2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt dộ

Chuân bị 4 cốc chịu nhiệt và cho vào mỗi cốc 100 ml dung dịch Fe(NO3)3 0.1 M Sau đó các dung dịch này được điều chỉnh đến giá trị pH bằng 12.0 đồng thời được khấy liên tục Tiếp theo, hỗn hợp được gia nhiêt ở nhiệt độ 30, 50, 70 và 90oC trong vòng 24 h Kết tủa hình thành được lọc và rửa lại 3 lần bằng hỗn hợp cồn-nước (tỉ lệ 1:1 về thể tích) và được sấy ở 70oC trong 24 h