ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hương TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hương TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hóa Vô cơ Mã số: 604425 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: Phan Thị Ngọc Bích Hà Nội - 2011 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Thị Ngọc Bích, đã hướng dẫn tận tình về mặt khoa học đồng thời tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt giúp tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Hóa học - trường ĐH Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của tất cả những cán bộ nghiên cứu của phòng Hóa Vô cơ - Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã dành cho tôi trong thời gian tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ của Phòng sau đại học, Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công Nghệ Việt Nam; Các cán bộ thuộc Phòng sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, tất cả bạn bè, những người đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt những năm học tập vừa qua. Hà Nội, tháng 12 năm 2011 Học viên Trần Thị Hương MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU…………………………………………………………………. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN…………………………………………… 2 1.1. GIỚI THIỆU VỀ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP (HYDROTALCITE)…………………………………………………………… 2 1.1.1. Đặc điểm cấu trúc của hydrotalcite……………………………………… 2 1.1.2. Tính chất của hydrotalcite…………………………………………… 6 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HYDROTALCITE……………… 10 1.2.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa (phƣơng pháp muối bazơ)………………… 11 1.2.2. Phƣơng pháp trao đổi ion……………………………………………… 12 1.2.3. Phƣơng pháp xây dựng lại cấu trúc…………………………………… 14 1.2.4. Phƣơng pháp muối – oxit………………………………………………… 14 1.2.5. Phƣơng pháp thủy nhiệt………………………………………………… 15 1.3. ỨNG DỤNG HYDROTALCITE VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA NITRATE TRONG MÔI TRƢỜNG……………………………………………………… 15 1.3.1. Ứng dụng HT…………………………………………………………… 15 1.3.2. Ảnh hƣởng của nitrate trong môi trƣờng và vai trò của hydrotalcite trong việc loại nitrate 18 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU…… 19 1.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)……………………………………… 19 1.4.2. Phƣơng pháp hồng ngoại (FTIR) 21 1.4.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 22 1.4.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TA) 23 1.4.5. Phƣơng pháp xác định thành phần nguyên tố (EDX) 23 CHƢƠNG II: MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM………………………………………… 25 2.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU……………………………………………… 25 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU……………………………………………… 25 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM…………………. 25 2.3.1. Dụng cụ hoá chất……………………………………………………… 25 2.3.2. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu………………………………………… 26 2.3.3. Xác định các đặc trƣng của vật liệu………………………………………. 29 2.3.4. Thí nghiệm loại NO 3 - dùng các mẫu vật liệu đã chế tạo…………………. CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………… 30 32 3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Cu-Al/CO 3 ……………………………… 32 3.1.1. Đặc trƣng cấu trúc và ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến cấu trúc vật liệu………………………………………………………………………… 33 3.1.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu……………………………………… 33 3.1.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng XRD của vật liệu………………. 36 3.1.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ muối ban đầu tới cấu trúc pha của vật liệu……… 38 3.1.2. Hình thái học vật liệu và ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến hình thái học của vật liệu…………………………………………………………… 40 3.1.3. Xác định thành phần các nguyên tố trong vật liệu………………………. 42 3.1.4. Đặc trƣng nhiệt của vật liệu 43 3.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Al/Cl………………………………………… 43 3.2.1. Đặc trƣng cấu trúc và ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến cấu trúc vật liệu 44 3.2.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu 44 3.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng XRD của vật liệu 47 3.2.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ Mg:Al tới cấu trúc pha của vật liệu 48 3.2.2. Hình thái học vật liệu…………………………………………………… 49 3.2.3. Xác định thành phần các nguyên tố trong vật liệu………………………. 50 3.2.4. Đặc trƣng nhiệt của vật liệu………………………………………………. 50 3.3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU Mg-Al/CO 3 ………………………………………. 51 3.3.1. Đặc trƣng cấu trúc và ảnh hƣởng của các thông số đến cấu trúc vật liệu 52 3.3.1.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu 52 3.3.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ kim loại muối ban đầu tới cấu trúc pha của vật liệu 54 3.3.2. Đặc trƣng nhiệt của vật liệu Mg-Al/CO 3 ………………………………… 56 3.4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI NO 3 - TRÊN CÁC VẬT LIỆU ĐÃ TỔNG HỢP…………………………………………………………………… 57 3.4.1. Khả năng loại NO 3 - của vật liệu Mg-Cu-Al/CO 3 ………………………… 57 3.4.1.1. Ảnh hưởng tỉ lệ kim loại trong vật liệu tới khả năng loại NO 3 - ……… 57 3.4.1.2. Ảnh hưởng của quá trình nung tới khả năng loại NO 3 - của vật liệu… 59 3.4.2. Khả năng loại NO 3 - của vật liệu Mg-Al/Cl………………………………. 60 3.4.2.1. Ảnh hưởng tỉ lệ kim loại trong vật liệu tới khả năng loại NO 3 - ……… 60 3.4.2.2. Ảnh hưởng của quá trình nung tới khả năng loại NO 3 - của vật liệu 60 3.4.3. Khả năng loại NO 3 - của vật liệu Mg-Al/CO 3 ……………………………. 61 3.4.4. Nhận xét chung về khả năng loại NO 3 - của các vật liệu đã tổng hợp đƣợc. 62 KẾT LUẬN……………………………………………………………… 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 65 PHỤ LỤC………………………………………………………………………. 70 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tỉ lệ các nguyên tố trƣớc và sau khi trao đổi trong 2 dung môi khác nhau………………………………………………………………………………… 9 Bảng 2.1: Các vật liệu HT/CO 3 đƣợc tổng hợp với các thông số phản ứng khác nhau……………………………………………………………………………… 27 Bảng 2.2: Các mẫu HT/Cl đƣợc tổng hợp với các thông số phản ứng khác nhau… 28 Bảng 2.3: Các mẫu Mg-Al/CO 3 với tỉ lệ muối kim loại ban đầu khác nhau……… 29 Bảng 3.1: Kết quả loại NO 3 - của vật liệu HT1/CO 3 chƣa nung và sau nung ở các nhiệt độ khác nhau…………………………………………………………… 59 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng tỉ lệ Mg:Al đến khả năng loại NO 3 - của vật liệu…………… 60 Bảng 3.3: Kết quả loại NO 3 - của vật liệu HT3/Cl chƣa nung và sau nung ở nhiệt độ khác nhau……………………………………………………………………… 61 Bảng 3.4: Kết quả loại NO 3 - cuả vật liệu HT1 chƣa nung và sau nung ở 500 0 C… 61 Bảng 3.5: Kết quả loại NO 3 - của các vật liệu đã tổng hợp đƣợc…………………. 62 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Khoáng sét HT…………………………………………………………. 2 Hình 1.2: Hình dạng cấu trúc lớp của HT………………………………………… 4 Hình 1.3: Giá trị L phụ thuộc vào bán kính anion……………………………… 5 Hình 1.4: Giá trị L phụ thuộc vào dạng hình học của anion……………………… 5 Hình 1.5: Quá trình trao đổi ion của HT-A’…………………………………… 8 Hình 1.6: Các loại điện tử phát ra khi chiếu chùm tia điện tử lên mẫu 22 Hình 3.1: Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO 3 vừa tổng hợp….………………… 33 Hình 3.2: Giản đồ XRD của vật liệu HT4/CO 3 ……….……………………… … 34 Hình 3.3: Phổ FTIR của mẫu HT4/CO 3 chƣa nung……………………… ……… 35 Hình 3.4: Phổ FTIR của mẫu HT4/CO 3 nung ở 500 0 C………………………… 36 Hình 3.5: Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu tổng hợp ở các nhiệt độ khác……… 37 Hình 3.6: Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu sau nung…………………………. 37 Hình 3.7: Giản đồ XRD của các mẫu HT/CO 3 chƣa nung với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau…………………………………………………………………………. 38 Hình 3.8: Giản đồ XRD của các mẫu HT/CO 3 sau nung với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau………………………………………………………………………… 39 Hình 3.9: Ảnh SEM của mẫu (a- HT1/CO 3 ;b- HT1/CO 3 -500; c- HT3/CO 3 )…… 40 Hình 3.10: Ảnh SEM của mẫu HT/CO 3 sau nung ở các tỉ lệ muối ban đầu khác nhau………………………………………………………………………………… 41 Hình 3.11: Giản đồ phân tích EDX của mẫu HT4/CO 3 ………………………… 42 Hình 3.12: Giản đồ TGA của mẫu HT4/CO 3 ……………………………………. 43 Hình 3.13: Giản đồ XRD của vật liệu HT3/Cl vừa tổng hợp 45 Hình 3.14: Giản đồ XRD của vật liệu HT3/Cl 46 Hình 3.15: Phổ FTIR của mẫu HT3/Cl……………………………………………. 47 Hình 3.16: Giản đồ XRD của các mẫu HT/Cl với nhiệt độ tổng hợp khác nhau 48 Hình 3.17: Giản đồ XRD của vật liệu HT/Cl 49 Hình 3.18: Ảnh SEM của vật liệu HT3/Cl ……………………………………… 49 Hình 3.19: Giản đồ phân tích các nguyên tố của mẫu HT5/Cl………………… 50 Hình 3.20: Giản đồ TGA của mẫu HT3/Cl………………………………………. 51 Hình 3.21: Giản đồ XRD của mẫu HT1 52 Hình 3.22: Giản đồ XRD của mẫu HT1 nung 500 0 C 53 Hình 3.23: Phổ FTIR của mẫu HT1 53 Hình 3.24: Phổ FTIR của mẫu HT1 nung 500 0 C 54 Hình 3.25: Giản đồ XRD của các mẫu với tỉ lệ muối ban đầu khác nhau 55 Hình 3.26: Giản đồ XRD của các mẫu sau nung 55 Hình 3.27: Giản đồ TGA của mẫu HT1 56 Hình 3.28: Phần trăm hấp phụ NO 3 - của các mẫu vật liệu sau nung ở 500 0 C với tỉ lệ kim loại trong muối ban đầu khác nhau………………………………………. 57 Hình 3.29. Giản đồ XRD của vật liệu sau khi hòa tan trong dung dịch KNO 3 ……. 58 [...]... tác, xử lý môi trƣờng, y sinh học, … Trong khi đó ở Việt Nam vật liệu HT còn chƣa đƣợc quan tâm chú ý nhiều Thêm vào đó, xử lý môi trƣờng ở nƣớc ta những năm gần đây đã trở thành vấn đề bức thiết Do vậy, chúng tôi chọn đề tài: Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2 GIỚI THIỆU VỀ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP (HYDROTALCITE)... dẫn đến một trong những đặc điểm chủ yếu của họ vật liệu này là khả năng trao đổi anion của các anion lớp xen giữa Cấu trúc lớp của HT đƣợc đƣa ra trên hình 1.2 Hình 1.2: Hình dạng cấu trúc lớp của HT Tƣơng tác tĩnh điện giữa các lớp hydroxit kim loại với các anion ở lớp xen giữa và liên kết hydro giữa các phân tử nƣớc làm cho cấu trúc của hydrotalcite có độ bền vững nhất định Các anion và các phân... VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Tổng hợp đƣợc một số hydroxide cấu trúc lớp kép (hydrotalcite) có khả năng loại NO3- từ dung dịch nƣớc, ứng dụng trong xử lý môi trƣờng 2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng hợp 3 loại vật liệu: Mg-Al/CO3, Mg-Cu-Al/CO3, Mg-Al/Cl - Xác định các đặc trƣng của vật liệu tổng hợp bằng các phƣơng pháp XRD, SEM, FTIR, TA, EDX - Sơ bộ đánh giá khả năng loại NO3- của. .. nƣớc trong lớp xen giữa đƣợc phân bố một cách ngẫu nhiên và có thể di chuyển tự do không có định hƣớng, có thể thêm các anion khác vào hoặc loại bỏ các anion trong lớp xen giữa mà không làm thay đổi đáng kể cấu trúc của HT Tùy thuộc vào bản chất của các cation và anion mà mật độ lớp xen giữa và kích thƣớc hình thái của chúng thay đổi tạo cho vật liệu có những đặc tính riêng L là khoảng cách giữa 2 lớp. ..  Cấu tạo HT HT đƣợc cấu tạo dạng lớp bao gồm: - Lớp hydroxit (lớp brucite): là hỗn hợp của các hydroxit của kim loại hóa trị 2 và hóa trị 3, tại đỉnh là các nhóm OH-, tâm là các kim loại hóa trị 2 và 3, có cấu trúc tƣơng tự nhƣ cấu trúc brucite trong tự nhiên Cấu trúc này đƣợc sắp đặt theo dạng M(OH)6 bát diện Những bát diện này dùng chung cạnh kế cận để hình thành nên các lớp không giới hạn Các lớp. .. hỗn hợp ethanol và nƣớc, tuy nhiên khi trao đổi trong môi trƣờng nƣớc và ethanol Mg bị tan ít hơn trong dung môi nƣớc Sự trao đổi ion phụ thuộc vào:  Tƣơng tác tĩnh điện của lớp hydroxit với anion xen giữa và năng lƣợng tự do của các anion cần trao đổi  Ái lực của hydroxit với các anion cần trao đổi trong dung dịch và ái lực của lớp hydroxit với các anion trong lớp xen giữa  Cấu tạo của anion cần... nung và chƣa nung 1.3.3.3 Ứng dụng trong y sinh học Các ứng dụng y học sớm nhất của HT chủ yếu là làm giảm độ axit trong dạ dày và các chất kháng nguyên và dự kiến trong tƣơng lai nhu cầu tăng trong lĩnh vực này Hơn nữa, họ đề xuất loại bỏ anion photphat từ thuốc dạ dày với mục đích phòng ngừa chứng tăng photphat Gần đây, các HT đã đƣợc tìm thấy các ứng dụng trong y học quan trọng đặc biệt khác, đặc. .. kích thƣớc hạt và sự phân bố của nó, khi các muối tan của nhôm và magiê đƣợc sử dụng cùng với dung dịch kiềm để điều chế Mg-Al/CO3, đặc biệt có ích khi HT đƣợc điều chế bằng cách sử dụng vật liệu ban đầu ở dạng bột 1.3 ỨNG DỤNG HYDROTALCITE VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA NITRATE TRONG MÔI TRƢỜNG 1.3.3 Ứng dụng HT [14, 18, 20, 22, 43] Các vật liệu HT, ở dạng vừa tổng hợp cũng nhƣ sau khi xử lý nhiệt, là những vật liệu... Hydrotalcite chứa ion Cl- ở lớp xen giữa HT/CO3 Hydrotalcite chứa ion CO32- ở lớp xen giữa LDH Hydroxide cấu trúc lớp kép MỞ ĐẦU Các hydroxide cấu trúc lớp kép (layered double hydroxide) thƣờng đƣợc gọi là hydrotalcite (HT) theo tên của một loại khoáng tồn tại trong tự nhiên Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O Công thức chung của HT là [M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n.mH2O]x- Với cấu trúc nhƣ vậy, các HT vừa có khả năng hấp... tinh thể của sản phẩm Thời gian già hóa để cho HT có cấu trúc ổn định trong khoảng 4 – 12 giờ, có khi tới vài ngày Các điều kiện của sự già hóa phải phù hợp với bản chất của HT thu đƣợc, ví dụ: [MII, MIII - NO3] sẽ cần thời gian già hóa lâu hơn [MII,MIII - CO3] Cấu trúc và tính chất hóa lý của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: bản chất và nồng độ của các chất phản ứng, pH kết tủa, nhiệt độ và thời . tài: Tổng hợp và xác định các đặc trưng của một số hydroxide cấu trúc lớp kép ứng dụng trong xử lý môi trường . CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. GIỚI THIỆU VỀ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP. QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hương TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên. QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Hương TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ HYDROXIDE CẤU TRÚC LỚP KÉP ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG