Nghiên cứu xử lý Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim loại Fe Cu

- Nghiên cứu hiệu quả xử lý Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim loại Fe/Cu.. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim loại Fe/

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM



PHAN KIM NGUYÊN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHLOROFORM TRONG NƯỚC BẰNG NANO LƯỠNG KIM LOẠI Fe/Cu

Chuyên ngành : Hóa hữu cơ

Mã số : 60 44 01 14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÓA HỌC

ĐÀ NẴNG – NĂM 2017

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm- Đại học Đà Nẵng

Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI XUÂN VỮNG

Phản biện 1: Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hóa hữu cơ họp tại Trường Đại học Sư phạm –

ĐHĐN vào ngày 9 tháng 9 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

 Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm môi trường, suy thoái tài nguyên và biến đổi khí hậu đang là thách thức lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ XXI Các mối nguy hại này đã và đang làm thay đổi toàn diện, sâu sắc các hệ sinh thái tự nhiên, đời sống kinh tế - xã hội, đe dọa nghiêm trọng đến môi trường trên phạm vi toàn cầu Hàng năm, hơn 500 công ty hóa chất lớn trên thế giới sản xuất ra 52 triệu tấn clo và 62 triệu tấn natri hydroxit để phục vụ cho nhu cầu của con người Trong số này, hơn 21% lượng clo được sử dụng trong công nghiệp hữu cơ để sản xuất

ra các hợp chất hữu cơ chứa clo, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất hóa chất, thuốc bảo vệ thực vật, sản xuất nhựa, công nghiệp may mặc [12] Do chưa có công nghệ và cơ chế quản lý tốt, hàng năm các chất này sau khi sử dụng thường được thải trực tiếp ra môi trường với số lượng hàng triệu tấn đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường và đặc biệt cho sức khỏe con người Những ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng của các hợp chất hữu cơ chứa Clo như: phá hủy tầng ozon, gây mưa axít, ô nhiễm môi trường đất, nước… đã đặt ra yêu cầu cấp bách đề xuất một giải pháp xử lý triệt để các hợp chất này ngay tại nguồn thải của các nhà máy công nghiệp

Chloroform hay triclometan được dùng làm dung môi và thường được dùng làm nguyên liệu trong các ngành công nghiệp sản xuất thuốc trừ sâu, sản xuất thuốc và dược phẩm, trong sản xuất các loại hương liệu và mỹ phẩm Trong y học nó được sử dụng làm chất gây mê Trong nông nghiệp, Chloroform được sử dụng làm thuốc bảo quản lương thực, diệt nấm mốc cho các kho chứa nông sản Còn

trong các phòng thí nghiệm, nó được dùng làm dung môi và bảo quản mẫu nước [20] Chloroform là một chất độc với môi trường và

là một chất độc có khả năng gây ung thư cho con người nếu ở nồng

độ cao Chloroform là hợp chất bền, có mặt trong nước sông, nước ngầm do ô nhiễm công nghiệp, nông nghiệp, xuất hiện trong nước máy do phản ứng clo hóa những hợp chất hữu cơ có trong nước tự nhiên Vì vậy, một số nước đưa ra giới hạn nồng độ Chloroform trong nước sử dụng làm nước sinh hoạt rất thấp [6] Do đó, yêu cầu cần thiết lúc này chính là xây dựng một biện pháp xử lí để làm giảm thiểu lượng Chloroform trong nước

Được nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu được thành quả trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại Với rất nhiều triển vọng ứng dụng, những hạt phân tử nano với kích thước bé nhỏ 1nm=10-9m đã mở đường cho một xu hướng phát triển mới của tương lai

Hiện nay, vật liệu nano được biết đến với các ứng dụng như: cung cấp năng lượng sạch, truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ thống lọc nước sạch chẳng hạn như các lưới lọc nước nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử nước

đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm Đặc biệt, công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn trong các công nghệ hiện tại Một trong các hướng nghiên cứu mới hiện nay đang được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm đó là sử dụng vật liệu nano lưỡng kim

để xử lý các hợp chất hữu cơ chứa Clo gây ô nhiễm môi trường đạt hiệu quả cao, với giá thành hợp lý

Trên cơ sở đó, tôi đã tiến hành xây dựng luận văn với đề tài:

“Nghiên cứu xử lý Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim loại Fe/Cu”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu quá trình điều chế nano lưỡng kim loại Fe/Cu

- Nghiên cứu hiệu quả xử lý Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim loại Fe/Cu

3 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu nano lưỡng kim loại Fe/Cu được điều chế trong phòng thí nghiệm trường đại học Sư phạm Đà Nẵng

- Mẫu nước chứa Chloroform với các nồng độ khác nhau được pha chế trong phòng thí nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập các tài liệu, thông tin liên quan đến lĩnh vực nghiên

cứu của đề tài để đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

và trên thế giới, từ đó xây dựng ý tưởng cho nghiên cứu

- Phân tích những tài liệu đã công bố trong và ngoài nước để

xây dựng nội dung và phương pháp nghiên cứu

4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp điều chế vật liệu nano lưỡng kim loại Fe/Cu

- Phân tích đặc điểm vật liệu điều chế được bằng các phương

pháp hiện đại như XRD, SEM, TEM

- Phương pháp phổ tán sắc năng lượng EDX để phân tích

thành phần nano lưỡng kim loại Fe/Cu

- Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-VIS và phương pháp

lập đường chuẩn để xác định hàm lượng Cl- tách ra trong nước sau khi xử lý bằng nano lưỡng kim loại Fe/Cu

- Phương pháp GC-MS được sử dụng để xác định hiệu suất xử

lý chloroform trong nước

5 Nội dung nghiên cứu

- Điều chế vật liệu nano lưỡng kim loại Fe/Cu

- Phân tích đặc điểm vật liệu điều chế được bằng các phương

pháp hiện đại như XRD, SEM, TEM, EDX

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý

Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim loại Fe/Cu bằng

phương pháp đo quang UV/VIS

- Đánh giá hiệu suất xử lý Chloroform trong nước bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC – MS)

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

7 Cấu trúc luận văn

Khóa luận gồm 78 trang trong đó có bảng và hình Phần mở đầu (4 trang), kết luận và kiến nghị (2 trang), tài liệu tham khảo (5 trang) Nội dung đề tài chia làm 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU (29 trang)

Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (21 trang)

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN (17 trang)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khái quát vật liệu nano

1.3.1 Giới thiệu Chloroform

1.3.2 Đặc tính lý hóa của Chloroform

1.3.3 Ứng dụng của Chloroform

1.3.4 Độc tính Chloroform

1.3.5 Phương thức xâm nhập vào cơ thể

1.3.6.Cơ chế quá trình khử Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu nano lưỡng kim trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Hóa chất và thiết bị

2.3.2 Chuẩn bị dung dịch

2.3.3 Điều chế vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu

Hình 2.1 Sơ đồ điều chế nano lưỡng kim Fe/Cu

2.3.4 Phân tích các đặc tính của vật liệu

a Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

b Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

c Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

d Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X

2.3.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý

-qua phương pháp đo -quang UV/VIS

a Bước sóng tối ưu

b Cơ sở phương pháp

c Xây dựng đường chuẩn

Abs 0,029 0,065 0,094 0,129 0,156 0,191

-d Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

+ Khảo sát ảnh hưởng của pH

+ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian

+ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Chloroform

+ Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu

3.1 Kết quả phân tích đặc trưng vật lý của vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu

3.1.1 Trạng thái vật lý

Nano lưỡng kim Fe/Cu sau khi điều chế xong được sấy khô bằng khí Ar, thu được các hạt nano lưỡng kim Fe/Cu tụ lại thành những đám hạt màu đen, mịn, có kích thước khác nhau (Hình 3.1)

Hình 3.1 Vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu điều chế

3.1.2 Kết quả nghiên cứu phổ nhiễu xạ taia X của nano lưỡng kim Fe/Cu

Phổ nhiễu xạ tia X (Hình 3.2) cho biết thành phần chính của mẫu nano lưỡng kim, một peak có cường độ lớn xuất hiện tại góc 2θ

= 36,420 ứng với xuất hiện Fe0 và một peak có cường độ lớn xuất

hiện tại 2θ = 42,280 ứng với xuất hiện Cu0 Trong phổ có một peak cường độ rất nhỏ xuất hiện tại 2θ =300

ứng với sự xuất hiện Fe2O3 do trong quá trình bảo quản và đo hạt nano bị oxi hóa phần nhỏ nhưng không đáng kể Trong phổ cũng không thấy xuất hiện đỉnh FeO hay đỉnh Fe(OH)3 hay CuO hoặc Cu2O Điều đó cho thấy được mẫu nano lưỡng kim này ít bị oxi hóa bởi được bao một lớp Cu0

ở bên ngoài

Fe0 Mẫu nano lưỡng kim được phơi khô và bảo quản trong bình hút

ẩm

Hình 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu

So sánh với nano lưỡng kim Fe/Cu được chế tạo bởi Chien-Li Lee & Chih-Ju G Jou thấy kết quả hoàn toàn tương đồng (Hình 3.3)

Hình 3.3 Ảnh nhiễu xạ tia X của nano lưỡng kim Fe/ Cu được

chế tạo bởi Chien-Li Lee & Chih-Ju G Jou [27]

3.1.3 Ảnh chụp TEM của nano lưỡng kim Fe/Cu

Hình 3.4 Ảnh chụp TEM của Hình 3.5 Ảnh chụp TEM của phân phân tử nano lưỡng kim Fe/Cu tử nano lưỡng kim Fe/Cu của May

Kích thước vật liệu chế tạo được xác định bằng kính hiển vi điện tử truyền qua Từ hình ảnh nhận được (Hình 3.4), ta thấy vật liệu chế tạo dạng hạt gần như hình cầu, kích thước của hạt nano lưỡng kim thu được trong khoảng từ 60 – 100nm Khi so sánh kích thước hạt nano lưỡng kim Fe/Cu thu được với kết quả nghiên cứu về nano lưỡng kim Fe/Cu của May Thant Zin, Josephine Borja, Hirofumi Hinode, Winarto Kurniawan (2013) là từ 50 – 60nm thì ta

có thể thấy là hạt nano lưỡng kim Fe/Cu điều chế được là khá thô và

to hơn [37] (Hình 3.5) Vì giữa các nguyên tử sắt tồn tại một lực từ mạnh do đó vật liệu chế tạo không tách rời mà có cấu trúc kết đám,

có thể quan sát rõ điều này trên hình ảnh chụp TEM mẫu vật liệu

(Hình 3.4)

3.1.4 Ảnh chụp SEM của nano lưỡng kim Fe/Cu

Để khảo sát hình thái và cấu trúc hạt của vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu, tôi dùng kính hiển vi điện tử quét Ảnh SEM ở Hình 3.6 cho thấy, các hạt nano có dạng gần như hình cầu với kích thước

trung bình từ 60 – 100nm và liên kết với nhau tạo thành những khối hạt lớn

phân tử nano lưỡng kim Fe/Cu phân tử nano lưỡng kim Fe/Cu

Chih-Ju G Jou [27] 3.1.5 Kết quả chụp phổ tán sắc năng lượng EDX

Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố mẫu vật liệu

nano lưỡng kim Fe/Cu

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể biết được sản phẩm thu được

là nano lưỡng kim Fe/Cu tinh khiết và từ ảnh SEM, TEM biết được các hạt thu được tương đối đồng đều, có dạng hình cầu Để biết được sản phẩm thu được có bao nhiêu phần trăm sắt và đồng, tôi chụp phổ tán sắc năng lượng Tiếp theo, tôi tiến hành phân tích thành phần

nguyên tố của mẫu vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu bằng phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX) Kết quả thể hiện ở Hình 3.8

Hình 3.8 Phổ tán sắc năng lượng tia X của vật liệu nano lưỡng

kim Fe/Cu

Kết quả chụp phổ tán sắc năng lượng Bảng 3.1 cho thấy: trên phổ EDX của mẫu ta thấy thành phần của mẫu gồm Fe, Cu với phần trăm khối lượng tương ứng là: 81,72%; 13,04% ứng với tỉ lệ mol 1,459 : 0,204 Kết quả này tương đối phù hợp với tỉ lệ lý thuyết ban đầu Trên phổ quan sát thấy một đỉnh nhỏ của O với phần trăm khối lượng là 4,02% chiểm tỉ lệ rất thấp, có thể do trong quá trình bảo quản và đo vật liệu bị oxi hóa một phần nhỏ Còn một đỉnh nhỏ của S với phần trăm khối lượng là 1,23% có thể do trong các tiền chất sử dụng đã có lẫn tạp chất

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lí Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

3.2.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất xử lý Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu

suất xử lý Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

pH Thời gian

phản ứng (phút)

Hàm lượng vật liệu (g)

Nồng độ Chloroform (mg/l) Hiệu

suất (%) Trước

Hình 3.9 Biểu đồ mối quan hệ giữa pH dung dịch và hiệu suất xử

lí Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

Kết quả nghiên cứu Bảng 3.2 và Hình 3.9 cho thấy, trong điều kiện không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác thì khả năng xử lý Chloroform của vật liệu nano lưỡng kim Fe/Cu là rất nhanh và phụ thuộc rất lớn vào pH Tại pH = 2, hiệu suất xử lý Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu đạt 35,50%, sau đó tăng mạnh tại pH = 3 hiệu

quả xử lý Chloroform đạt giá trị cao nhất 86,35%, hiệu suất xử lý giảm xuống còn 70,35% khi tăng pH lên 4 và tiếp tục giảm xuống còn 61,58% khi tăng pH lên 5 Tại pH =7, hiệu suất xử lý giảm xuống còn 44,49% Điều này có thể giải thích như sau:

Trong môi trường axit, thì cơ chế khử Chloroform bởi nano lưỡng kim Fe/Cu được thực hiện do quá trình khử trực tiếp trên bề mặt kim loại (Trường hợp A, Hình 1.9) và khử bởi ion Fe2+(Trường hợp B, Hình 1.9) Trong quá trình phản ứng của hai cơ chế này cần nhận thêm H+ từ môi trường làm xúc tác cho quá trình khử nên trong dung dịch mất đi một phần H+, làm cho giá trị pH của dung dịch tăng lên Cơ chế phản ứng được thể hiện ở phương trình phản ứng:

Tại pH=7, giá trị pH sau xử lý giảm đi còn 6,51 Điều này có thể giải thích là trong môi trường trung tính đến kiềm thì cơ chế khử Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu được thực hiện do quá trình khử trực tiếp bởi H2 (Trường hợp C, Hình 1.9), sản phẩm sau phản

ứng có tạo thành H+

làm cho giá trị pH của dung dịch sau phản ứng giảm Cơ chế phản ứng được thể hiện ở phương trình phản ứng sau:

CHCl3 + 3H2 → CH4 + 3Cl- + 3H+Như vậy, sản phẩm được tạo thành của quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ chứa Clo bao gồm những chất đã được khử Clo, tuy nhiên những sản phẩm này là những chất không độc hoặc ít độc hơn

so với chất ban đầu trước khi xử lý

Năm 2010, Xiao-Li Xuan, Xiang-Zhong Li, Chuan Wang, Hong Liu đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Chloroform trong nước bằng nano lưỡng kim Pd/Fe Kết quả thu được, hiệu suất xử lý Chloroform đạt giá trị cao nhất 77,5% tại pH=3 [43]

Từ thí nghiệm trên, trong cùng điều kiện về thời gian, nồng độ mẫu và hàm lượng vật liệu nano ta thấy hiệu suất xử lý đạt giá trị cao nhất 86,35% tại pH=3

3.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến hiệu suất xử lí Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến hiệu suất xử lí Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

Hình 3.10 Biểu đồ mối quan hệ giữa thời gian và hiệu suất xử lí

Chloroform bằng nano lưỡng kim Fe/Cu

Kết quả nghiên cứu ở Bảng 3.3 và Hình 3.10 cho thấy, sau 60 phút nồng độ Chloroform đã giảm từ 20mg/l xuống còn 2,249mg/l, như vậy hiệu quả xử lý đạt 88, 76% Ta thấy nồng độ Chloroform giảm theo thời gian phản ứng, thời gian càng lâu thì lượng Chloroform còn lại càng thấp Trung bình sau 1 phút thì lượng Chloroform khử được là 0,296mg/l, tuy nhiên tốc độ khử là không giống nhau ở mỗi giai đoạn Theo đó trong 5 phút đầu (0 – 5 phút) lượng Chloroform bị khử là 9,029mg/l tương đương 1,806mg/l trong

1 phút; 5 phút sau (5 phút – 10 phút) lượng Chloroform bị khử là 7,802mg/l tương đương 1,560mg/l trong 1 phút; sau 20 phút tiếp theo (10 phút – 30 phút) lượng Chloroform bị khử là 0,745mg/l tương đương 0,037mg/l trong 1 phút; và sau 30 phút tiếp theo (30 phút – 60 phút) lượng Chloroform bị khử là 0,175mg/l tương đương 0,006mg/l trong 1 phút Như vậy, trong giai đoạn đầu khả năng khử

là nhanh nhất, sau đó giảm dần ở các giai đoạn sau và giảm mạnh nhất ở giai đoạn từ 30 phút – 60 phút Điều này có thể là do lượng