1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC PHẠM NGỌC CHỨC TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC Phạm Ngọc Chức TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lƣu Minh Đại Hà Nội - 2012 4 Mục Lục Lời cảm ơn Trang Mục lục i Mục lục các bảng v Mục lục các hình vii Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt iv Mở đầu Chƣơng Tổng quan 1 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 3 1.1.1 Một số khái niệm 3 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano 3 1.2. Nước ngầm và sự ô nhiễm 7 1.2.1. Sự ô nhiễm As, Fe và Mn 9 1.2.2. Tác hại của As, Fe, Mn đối với sức khỏe con người 10 1.3. Các giải pháp xử lý As, Fe, Mn 12 1.3.1. Phương pháp trao đổi ion 15 1.3.2. Phương pháp oxi hóa – kết tủa 15 1.3.3. Phương pháp hấp phụ 16 1.4. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano 16 1.4.1. Phương pháp gốm truyền thống 17 1.4.2. Phương pháp đồng tạo phức 17 1.4.3. Phương pháp đồng kết tủa 17 5 1.4.4. Phương pháp sol – gel 18 1.4.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 18 1.5. Tổng hợp vật liệu oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích thước nanomet 19 1.5.1. Tổng hợp vật liệu oxit sắt 20 1.5.2. Tổng hợp vật liệu oxit mangan 20 Chƣơng Các phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm 21 2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 22 2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu 22 2.1.2. Tổng hợp oxit hỗn hợp Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 22 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 23 2.3. Phương pháp hấp phụ 24 2.3.1. Khái niệm chung 26 2.3.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 26 2.3.3. Phương trình động học hấp phụ 27 2.3.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir 28 2.4. Phương pháp xác định sắt, mangan và asen trong dung dịch 29 Chƣơng Kết quả và thảo luận 31 3.1. Vật liệu Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 33 3.1.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 33 3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 33 6 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 33 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol kim loại và PVA 34 3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 35 3.2. Đánh giá khả năng hấp phụ As trên vật liệu Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 36 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ 38 3.2.2. Khảo sát sự hấp phụ As trên vật liệu Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 38 3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ sắt trên oxit hỗn hợp Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 39 3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ mangan trên oxit hỗn hợp Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 43 3.5. Một Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phu của vật liệu 46 3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH 48 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của các anion SO 4 2- , Cl - , HCO 3 - và PO 4 3- 48 3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của cation NH 4 + , Mn 2+ và Fe 3+ 49 3.6. Vật liệu oxit phức hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch anh (TA) 50 3.6.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp trên nền cát thạch anh 51 3.6.2. Đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu oxit hỗn hợp 51 7 Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 trên nền cát thạch anh (T.A). 3.6.2.1. Khảo sát sự hấp phụ As theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir 53 3.6.2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ sắt của vật liệu oxit hỗn hợp Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 /T.A 53 3.6.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của vật liệu oxit hỗn hợp Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 /T.A 56 Kết luận 57 Danh mục các công trình của tác giả 59 Tài liệu tham khảo 60 Phụ lục 61 8 Mục lục các bảng Trang Bảng 1.1 Dung lượng hấp phụ As của oxit sắt và oxit mangan 21 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ As(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 . 38 Bảng 3.2 Dung lượng hấp phụ As(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 39 Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 41 Bảng 3.4 Dung lượng hấp phụ của một số oxit nano 43 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Fe(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 44 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 45 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 . 46 Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ Mn(II) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 47 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ asen của vật liệu oxit hỗn hợp Fe 2 O 3 – Mn 2 O 3 . 48 Bảng 3.10 Ảnh hưởng của anion đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với As(V) 49 9 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của cation đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với As(V) 50 Bảng 3.12 Kết quả xác định hàm lượng sắt, mangan trên cát thạch anh. 53 Bảng 3.13 Dung lượng hấp phụ As(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 / T.A. 54 Bảng 3.14 Dung lượng hấp phụ As(V) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 / T.A 55 Bảng 3.15 Dung lượng hấp phụ Fe(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 / T.A. 56 Bảng 3.16 Dung lượng hấp phụ Mn(II) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 / T.A. 57 10 Mục lục các hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo vật liệu 23 Hình 2.2 Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C 1 > C 2 ) 29 Hình 2.3 Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc C f /q vào C f 31 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau 34 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được tổng hợp ở pH khác nhau 35 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được chế tạo ở tỷ lệ Fe/Mn khác nhau 36 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau 37 Hình 3.5 Ảnh SEM của mẫu nung ở 550 0 C 37 Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với As 39 Hình 3.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 40 Hình 3.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 41 Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với Fe 44 Hình 3.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet 45 11 Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ đối với Mn 47 Hình 3.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 kích thước nanomet. 48 Hình 3.13 Sơ đồ tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch anh. 52 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu oxit hỗn hợp 53 Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 /T.A 54 Hình 3.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 /T.A 55 Hình 3.17 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Fe(III) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 /T.A 56 Hình 3/18 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Mn(II) trên Mn 2 O 3 – Fe 2 O 3 /T.A 58 [...]... nặng và một số hợp chất hữu cơ Việc nghiên 13 cứu chế tạo oxit có kích thước nano, ứng dụng hấp phụ các chất gây ô nhiễm nước như asen, sắt, mangan là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt ” Trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi nghiên cứu tổng hợp oxit. .. cứu vì ứng dụng phong phú của chúng trong nhiều lĩnh vực, MnO2 được chế tạo và ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ [16] Mn2 O3 được xử dụng làm vật liệu xúc tác cho quá trình xử lý CO và NOx từ khí thải [43], xúc tác cho quá trình đốt cháy metan[44] và ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý môi trường Vật liệu oxit α – Fe2 O3, γ – Fe2 O3 và oxit mangan được ứng dụng để loại bỏ As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt Bảng... polyme hoà tan trong nước tạo thành hỗn hợp nhớt Làm bay hơi nước hoàn toàn hỗn hợp này thu được khối xốp nhẹ và đem nung ở khoảng 300 – 900oC thu được là các oxit phức hợp mịn 1.5 Tổng hợp vật liệu oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích thƣớc nanomet 1.5.1 Tổng hợp vật liệu oxit sắt Oxit sắt tồn tại trong tự nhiên ở một số dạng: magnetit (Fe 3O4), maghemit (γ – Fe2 O3) và hematit (α – Fe2 O3) là phổ biến... và γ – Fe2 O3 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xúc tác, làm chất màu, sensor, xúc tác hấp phụ để xử lý kim loại nặng [15,17,18,39,40] 1.5.2 Tổng hợp vật liệu oxit mangan Trong tự nhiên, oxit mangan tồn tại ở một số pha như: MnO, Mn 2O3, Mn3 O4, MnO2, Mỗi pha tinh thể có cấu trúc, tính chất và ứng dụng khác nhau Trong đó MnO2 và Mn2 O3 được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất Mn2 O3 tồn tại ở một số... và ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực xử lí môi trường đề tài của luận văn được thực hiện với các nội dung chính: Nghiên cứu chế tạo vật liêu oxit hỗn hợp Mn2 O3 – Fe2 O3 bằng phương pháp đốt cháy gel và ứng dụng để xử lí asen, sắt, mangan trong nước sinh hoạt 34 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 2.1.1 Lựa chọn phƣơng pháp tổng hợp vật liệu Việc tổng. .. tổng hợp oxit phức hợp hệ Mn – Fe và ứng dụng để xử lý asen, sắt, mangan trong nước sinh hoạt 14 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về công nghệ nano 1.1.1 Một số khái niệm Công nghệ nano Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa Nhưng... nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử Công nghệ nano bao gồm việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị hay hệ thống ở kích thước nanomet (1nm = 10-9m) Trong công nghệ nano, nghiên cứu vào sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet. .. cầu của nước trong sinh hoạt và công nghiệp tồn tại song song với sự phát triển của con người, ở đâu có nước thì ở đó mới có sự sống Thực tế lượng nước dự trữ trên trái đất thật là hiếm hoi mà nhu cầu sử dụng lại lớn Để đáp ứng nhu cầu dùng nước con người không ngừng khai thác các nguồn nước và cách xử 21 lý nguồn nước Nước khai thác gồm hai loại có nguồn gốc khác nhau là nước mặt và nước ngầm Nước mặt... hơn trong nước ngầm dùng cho sinh hoạt là mangan và sắt với nồng độ 1 – 2 mg/l, có nguồn đạt tới 8 – 10 mg/l Nước bị đục và có màu, có mùi vị là do Fe( II) bị oxi hoá thành Fe( III), thuỷ phân tạo thành Fe( OH)3 và mangan tạo thành MnO2 Sắt và mangan thường có trong nước bề mặt và nước ngầm dưới dạng muối tan hay phức, do hoà tan các lớp khoáng trên đường nước chảy qua hoặc do ô nhiễm bởi các nguồn nước. .. thuộc vào phương pháp điều chế Trong số dạng thù hình của Mn2 O3 thì dạng nửa bền γ – Mn2 O3 và dạng bền nhiệt α – Mn2 O3 là quan trong nhất Tinh thể oxit nano γ – Mn2 O3 cấu trúc tetragonal đã được điều chế bằng một số phương pháp khác nhau như từ KMnO4 và N2H4 [41], oxi hóa MnCl2.4H2O trong dung dịch với H2O2 [42], khử MnO2 với etanol ở 1300C Oxit Mn2 O3 và MnO2 được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu vì ứng . Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt ” Trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi nghiên cứu tổng hợp oxit phức hợp hệ Mn. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC Phạm Ngọc Chức TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT . HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC PHẠM NGỌC CHỨC TỔNG HỢP OXIT HỖN HỢP HỆ Mn – Fe KÍCH THƢỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ As, Fe VÀ Mn TRONG NƢỚC SINH HOẠT