1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO 2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2014 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO 2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Trần Hùng PGS.TS. Nguyễn Văn Nội Hà Nội - 2014 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1 - TỔNG QUAN 12 1.1. TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 12 1.1.1. Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta 12 1.1.2. Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp 13 1.2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON 19 1.2.1. Giới thiệu về vật liệu nano cacbon 19 1.2.2. Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon 20 1.2.3. Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon 23 1.2.4. Ứng dụng vật liệu nano cacbon trong xử lý nước 25 1.3. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 26 1.3.1. Hiện tượng hấp phụ 26 1.3.2. Hấp phụ trong môi trường nước 27 1.3.3. Động học hấp phụ 28 1.3.4. Cân bằng hấp phụ- Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 29 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM CHÌ 32 1.4.1. Các dạng tồn tại của kim loại Chì 32 1.4.2. Độc tính của chì 33 1.4.3. Ứng dụng của chì 35 1.4.4. Các phương pháp xử lý ô nhiễm chì 36 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 39 2.1.1. Mục tiêu 39 4 2.1.2. Nội dung nghiên cứu 39 2.2. Hóa chất, dụng cụ 39 2.2.1. Dụng cụ - Thiết bị 39 2.2.2. Hóa chất 40 2.3. Các phương pháp sử dụng trong thực nghiệm 40 2.3.1. Phương pháp xác định hàm lượng SiO 2 40 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 42 2.3.3. Nhiễu xạ Rơnghen X (X-ray diffraction XRD) 44 2.3.4. Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 45 2.4. Chế tạo vật liệu 46 2.4.1. Chế tạo nano silica 46 2.4.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO 2 /CNT 47 2.4.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO 2 /CNT 48 Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1. Chế tạo nano silica 50 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của công đoạn xử lý axit 50 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ nung 54 3.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT 58 3.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO 2 /CNT 58 3.4. Khảo sát, đánh giá đặc tính của vật liệu 58 3.4.1. Kết quả phân tích ảnh SEM 58 3.4.2. Kết quả phân tích XRD 59 3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh ion Pb 2+ của vật liệu 60 3.5.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Pb 2+ 60 5 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb 2+ 62 3.5.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb 2+ của vật liệu 63 3.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb 2+ 65 3.6.1. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb 2+ của CNT 66 3.6.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb 2+ của nano silica 67 3.6.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb 2+ của nano composite chưa biến tính . 68 3.6.4. Đánh giá tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu 70 KẾT LUẬN 72 Tài liệu tham khảo 73 6 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Trần Hùng và PGS.TS. Nguyễn Văn Nội đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh, chị tại Viện Hóa Học Vật liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Quân Sự đã chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Nhân dịp này em xin được chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Hóa Môi trường và Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ, trang bị cho em các kiến thức khoa học cơ bản trong suốt quá trình tôi học tập tại trường. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 08 tháng 11 năm 2014 Học viên cao học Bùi Thị Hà 7 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Trang Hình 1. Sơ đồ quy trình thu hồi Si từ trấu 4 Hình 2. Sơ đồ quy trình thu hồi SiO 2 từ tro đốt 6 Hình 3. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen 10 Hình 4. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNT 11 Hình 5. Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT 12 Hình 6. Mô tả cấu trúc của SWCNT 12 Hình 7. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22 Hình 8. Đồ thị sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb 22 Hình 9. Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Pb 23 Hình 10. Tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 34 Hình 11. Quy trình chế tạo nano silica từ trấu 37 Hình 12. Sơ đồ quá trình biến tính SiO 2 /CNT bằng hỗn hợp axit 38 Hình 13. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào thời gian xử lý 41 Hình 14. Sự phụ thuộc hàm lượng Si vào nhiệt độ xử lý 42 Hình 15. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào tỉ lệ trấu/axit 43 Hình 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 45 Hình 17. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 46 Hình 18. Ảnh SEM của nano silica 49 Hình 19. Ảnh SEM của nanocomposite SiO 2 /CNT 49 Hình 20. Kết quả đo XRD của vật liệu nanocomposite 50 Hình 21. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 51 Hình 22. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 52 Hình 23. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với Pb 2+ 54 Hình 24. Đường thẳng xác định hệ số của phương trình Langmuir với Pb 2+ 54 8 Hình 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 56 Hình 26. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của CNT với Pb 2+ 57 Hình 27. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của nano silica với Pb 2+ 58 Hình 28. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của vật liệu chưa biến tính với Pb 2+ 59 Hình 29. Khả năng hấp phụ Pb 2+ của vật liệu 60 9 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng 20 Bảng 2. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào thời gian xử lý 40 Bảng 3. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào nhiệt độ xử lý 42 Bảng 4. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào tỉ lệ trấu/axit 43 Bảng 5. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO 2 vào số lần tái sử dụng 44 Bảng 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 45 Bảng 7. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO 2 trong trấu 46 Bảng 8. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến kích thước hạt SiO 2 47 Bảng 9. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến khối lượng vật liệu 48 Bảng 10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb 2+ . 51 Bảng 11. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb 2+ 52 Bảng 12. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb 2+ 53 Bảng 13. Kết quả khảo sát nhiệt độ tối ưu hấp phụ Pb 2+ 55 Bảng 14. Kết quả khảo sát Langmuir với CNT 56 Bảng 15. Kết quả khảo sát Langmuir với nano silica 58 Bảng 16. Kết quả khảo sát Langmuir với vật liệu chưa biến tính 59 Bảng 17. Tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb 2+ 60 10 CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Giải thích BRHA Tro trấu đen CNF Sợi nano cacbon CNT Ống nano cacbon CVD Chemical vapour deposition MWCNT Ống nano cacbon đa lớp SEM Kính hiển vi điện tử quét SWCNT Ống nano cacbon đơn lớp WRHA Tro trấu trắng XRD Nhiễu xạ tia X [...]... tập trung nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở nanocomposite của SiO2 và ống nanocarbon từ vỏ trấu 11 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 1.1.1 Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới với sản lượng lúa năm 2011 đạt khoảng 42 triệu tấn Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương của Liên... là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, cảm ứng, tán xạ và lực định hướng Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn [2,6,10]  Hấp phụ hóa học Hấp. .. trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2,6,10] 1.3.2 Hấp phụ trong môi trường nước 27 Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là phức tạp hơn nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên. .. quá trình giải hấp phụ Đó là quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2,6,10]  Hấp phụ vật lý Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân... với độ hấp phụ là 99% Tác giả Trần Văn Đức trong báo cáo luận văn thạc sỹ của mình đã nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu bằng dung dịch NaOH, sử dụng để hấp phụ ion kim loại nặng trong nước [5] Tác giả tách SiO2 từ vỏ trấu bằng phương pháp nhiệt phân chậm và thủy phân tro trấu trong dung dịch kiềm, thành phần của tro trấu chủ yếu là 2 nguyên tố Si và O trong đó có 42,31% Si Quy trình tách SiO2 từ vỏ trấu. .. hạt Al2O3 vô định hình trên nền CNT, kết quả cho thấy vật liệu tổ hợp (CNT/Al2O3) có dung lượng hấp phụ F- cao hơn 4 lần so với γ-Al2O3 Một vật liệu tổ hợp khác trên cơ sở CNT và Fe2O3 đã được 25 nghiên cứu và sử dụng làm vật liệu hấp phụ các kim loại nặng như Pb(II), Cu(II), As(V) Tại pH=3, dung lượng hấp phụ cực đại với As(V) theo mô hình langmuir đạt 44,1 mg/g [25] So với sắt và oxit nhôm, mangan... mg/l, hiệu suất hấp phụ trên 99% SiO2 có thể sử dụng hấp phụ nhiều lần 1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON 1.2.1 Giới thiệu về vật liệu nano cacbon Một trong những vật liệu có kích thước nano đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là các vật liệu nano cacbon, thường tồn tại ở hai dạng: ống nano cacbon (CNT) và sợi nano cacbon (CNF) Vật liệu này được phát hiện bởi Sumio Iijima [30] vào năm 1991,... hệ thống là việc làm hết sức cần thiết 1.3 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 1.3.1 Hiện tượng hấp phụ 26 Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, khílỏng, lỏng – rắn, lỏng- lỏng) Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ Đó... thạch anh… để hấp phụ các kim loại nặng [14] Shu-Guang Wang [34] đã cố định MnO2 trên nền CNT làm vật liệu hấp phụ Pb(II) trong nước Phổ nhiễu xạ X-ray cho biết MnO2 mang trên vật liệu tồn tại ở dạng vô định hình Theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt langmuir, dung lượng hấp phụ Pb(II) cực đại của vật liệu MnO2/CNT là 78,74 mg/g Lượng MnO2 cố định chiếm 30% khối lượng thì vật liệu cho khả năng hấp phụ Pb(II)... cỏ… Vật liệu compozit của CNT với polime xốp cho phép hấp phụ một cách triệt để các hợp chất hữu cơ này Những năm gần đây vật liệu nano cacbon bắt đầu được nghiên cứu, sản xuất ứng dụng đã thu được những thành công nhất định Tuy nhiên việc ứng dụng nano cacbon trong xử lý môi trường đặc biệt là môi trường nước còn chưa phát triển rộng rãi Do vậy việc nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ trên cơ sở nano . nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở nanocomposite của SiO 2 và ống nanocarbon từ vỏ trấu . 12 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU. HỌC TỰ NHIÊN Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO 2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU Chuyên ngành: Hóa môi trường. Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO 2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA