Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxihyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trường nước (NCKH)
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO TỔNG KẾT 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 TRƢỜNG NƢỚC Mã số: ĐH2014-TN07-07 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Đình Vinh Thái Nguyên, 7/2017 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO TỔNG KẾT 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 TRƢỜNG NƢỚC Mã số: ĐH2014-TN07-07 Xác nhận tổ chức chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) Thái Nguyên, 7/2017 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) i DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH I Thành viên thực đề tài - TS Trƣơng Thị Thảo - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên - TS Bùi Minh Quý - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên - ThS Nguyễn Thị Ngọc Linh - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên II Đơn vị phối hợp thực Phòng Hóa Vô - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kim loại nặng 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Ảnh hƣởng số kim loại nặng tới sinh vật ngƣời 1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng nƣớc Việt Nam 1.1.4 Các phƣơng pháp xử lí kim loại nặng nƣớc 1.1.4.1 Phƣơng pháp kết tủa hóa học 1.1.4.2 Phƣơng pháp trao đổi ion 1.1.4.3 Phƣơng pháp điện hóa 1.1.4.4 Phƣơng pháp sinh học 1.1.4.5 Phƣơng pháp hấp phụ 1.2 Tổng quan vật liệu α-FeOOH 1.2.1 Giới thiệu oxi-hiđroxit sắt 1.2.2 Vật liệu goethite, α-FeOOH 10 1.2.2.1 Giới thiệu 10 1.2.2.2 Cấu trúc tinh thể 11 1.2 2.3 Phƣơng pháp tổng hợp 11 1.2.2.4.Ứng dụng goethite 12 1.3 Cơ chế hấp phụ vật liệu FeOOH 12 1.3.1 Cơ sở lí thuyết 12 1.3.2 Sự hấp phụ vật liệu FeOOH 19 1.4 Ứng dụng vi sóng tổng hợp vật liệu 20 1.5 Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng vật liệu 20 1.5.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X XRD 20 1.5.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 21 1.5.3 Phƣơng pháp phân tích nhiệt 22 1.5.5 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng BET 23 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1 Hóa chất thiết bị 24 2.1.1 Hóa chất 24 2.1.2 Thiết bị 24 2.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH 25 2.2.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng giá trị pH 25 2.2.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt dộ 25 iii 2.2.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng vi sóng 25 2.3 Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng vật liệu 25 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25 2.3.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét 25 2.3.3 Phƣơng pháp phân tích nhiệt 26 2.3.4 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại 26 2.3.5 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt BET 26 2.4 Nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu goethite 26 2.4.1 Thí nghiệm hấp phụ 26 2.4.2 Xác định hàm lƣợng KLN dung dịch phƣơng pháp F-AAS 27 2.4.2.1 Dựng đƣờng chuẩn 27 2.4.2.2 Xác định hàm lƣợng KLN dung dịch sau hấp phụ 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Chế tạo vật liệu α-FeOOH 30 3.1.1 Ảnh hƣởng pH 30 3.1.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ 31 3.1.3 Ảnh hƣởng vi sóng 33 3.1.4 Một số đặc trƣng vật liệu 35 3.1.4.1 Thông số mạng 35 3.1.4.2 Độ bền nhiệt 35 3.1.4.3 Phổ hồng ngoại FT-IR 36 3.1.4.4 Diện tích bề mặt 37 3.2 Kết nghiên cứu hấp phụ Pb Cd 38 3.2.1 Hấp phụ ion riêng rẽ 38 3.2.1.1 Ảnh hƣởng pH dung dịch 38 3.2.1.2 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc mô hình động học hấp phụ 39 3.2.1.3 Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ 42 3.2.2 Hấp phụ hỗn hợp ion 44 3.3 Kết nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) 46 3.3.1 Ảnh hƣởng pH dung dịch 46 3.3.2 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc mô hình động học hấp phụ 46 3.4.3 Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ 48 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể goethite 11 Hình 1.2 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính 16 Hình 1.3 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich dạng tuyến tính 17 Hình 1.4 Đồ thị dạng tuyến tính mô hình động học bâc 18 Hình 1.5 Sơ đồ tia tới tia phản xạ tinh thể chất rắn tia X lan truyền chất rắn 21 Hình 2.1 Đƣờng chuẩn Pb 28 Hình 2.2 Đƣờng chuẩn Cd 29 Hình 2.3 Đƣờng chuẩn Cr 29 Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu hình thành giá trị pH khác 30 Hình 3.2 Giản đồ XRD mẫu hình thành nhiệt độ khác 32 Hình 3.4 Giản đồ XRD mẫu đƣợc tổng hợp với hỗ trợ vi sóng 33 Hình 3.5 Ảnh SEM mẫu hình thành dƣới tác động vi sóng 34 Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu đƣợc tổng hợp với hỗ trợ vi sóng 35 Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt vật liệu geothite 36 Hình 3.8 Phổ hồng ngoại vật liệu 37 Hình 3.9 Ảnh hƣởng pH dung dịch đến hấp phụ Pb(II) Cd(II) 39 Hình 3.10 Ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc đến hấp phụ Pb(II) Cd(II) 40 Hình 3.11 Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc hấp phụ Pb(II) Cd(II) 40 Hình 3.12 Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc hấp phụ Pb(II) Cd(II) 41 Hình 3.13 Dung lƣợng hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite với nồng độ ion Pb(II) Cd(II) ban đầu khác 42 Hình 3.15 Đƣờng đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite 43 Hình 3.16 Sự biến đổi dung lƣợng hấp phụ ion kim loại goethite nồng độ Cd(II) ban đầu khác 45 Hình 3.17 Độ hấp phụ Cr(VI) goethite giá trị pH khác 46 Hình 3.18 Độ hấp phụ Cr(VI) goethite khoảng thời gian khác 47 Hình 3.19 Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc hấp phụ Cr(VI) 47 Hình 3.20 Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc hấp phụ Cr(VI) 48 Hình 3.21 Sự phụ thuộc độ hấp phụ dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) vào nồng độ Cr(VI) ban đầu 49 Hình 3.22 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho hấp phụ Cr(VI) goethite 50 Hình 3.23 Đƣờng đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho hấp phụ Cr(VI) goethite 50 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt 14 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng đề tài 24 Bảng 2.2 Danh mục thiết bị sử dụng đề tài 24 Bảng 2.3 Các thống số kỹ thuật sử dụng xác định Cd, Cr Pb dung dịch 27 Bảng 3.1 Kết BET mẫu goehtie 38 Bảng 3.2 Các thông số động học mô hình bậc hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite 41 Bảng 3.3 Các thông số phƣờng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freunlich hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite 44 Bảng 3.4 Các thông số động học mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) goethite 48 Bảng 3.5 Các thông số phƣờng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freunlich hấp phụ Cr(VI) goethite 50 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT XRD (X-Ray Diffraction) Nhiễu xạ tia X 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 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trƣờng nƣớc - Mã số: ĐH2014 - TN07 - 07 - Chủ nhiệm: TS Nguyễn Đình Vinh - Tổ chức chủ trì: Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: 01/2014 - 12/2015 Mục tiêu: - Xác định đƣợc điều kiện tối ƣu để tổng hợp oxi-hydroxit sắt với kích thƣớc nanomet - Khảo sát đƣợc đặc trƣng sản phẩm tổng hợp đƣợc phƣơng pháp đại - Xác định đƣợc hiệu hấp phụ kim loại nặng vật liệu Tính mới, tính sáng tạo: - Nghiên cứu ứng dụng vi sóng tổng hợp vật liệu nano FeOOH - Đánh giá khả hấp thụ số kim loại nặng vật liệu tổng hợp đƣợc Kết nghiên cứu: - Khảo sát đƣợc yếu tố nhƣ pH, nhiệt độ vi sóng ảnh hƣởng đến trình tổng hợp vật liệu FeOOH - Phân tích đặc trƣng vật liệu phƣơng pháp đại - Đánh giá khả hấp phụ số kim loại nặng nhƣ Pb, Cd, Cr vật liệu chế tạo đƣợc Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học: Có 02 báo đăng tạp chí Khoa học Nguyễn Đình Vinh, Ngô Thị Hồng Thu, Đào Quốc Hƣơng, Nguyễn Thị Hạnh (2015), “Nghiên cứu ảnh hƣởng giá trị pH nhiệt độ đến hình thành goethite”, Tạp chí Hóa học, 53(3e12), tr 365-369 viii 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 nghiệm thu: Ngô Thị Hồng Thu (2015), Thiết kế quy trình xử lý số kim loại nặng nước, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên Lự Thị Nga (2015), Thiết kế quy trình xử lý số chất hoạt động bề mặt nước, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên Phan Thị Huệ (2016), Tổng hợp vật liệu nano goethite với hỗ trợ vi sóng, thử nghiệm hấp thụ ion Cr(VI) nước, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên * 01 luận văn thạc sĩ nghiệm thu Phạm Thị Phƣơng Thảo (2017), Ngiên cứu đặc trưng cấu trúc tính chất vật liệu goethite ứng dụng xử lý số kim loại nặng, Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên Phƣơng thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: - Khả áp dụng: Ứng dụng xử lý kim loại nặng nƣớc - Phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu: Có thể cung cấp vật liệu quy trình xử lý cho cá nhân tổ chức Ngày tháng 07 năm 2017 Tổ chức chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) TS Nguyễn Đình Vinh 43 2,5 Pb isotherm Cd isotherm Ce/Qe y = 0,013x + 0,112 R² = 0,9951 1,5 y = 0,009x + 0,0539 R² = 0,9994 0,5 0 50 100 150 200 Ce Hình 3.14 Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite 2,3 y = 0,4379x + 1,2394 R² = 0,9274 2,1 Pb isotherm Cd isotherm LogQe 1,9 1,7 y = 0,3744x + 1,1143 R² = 0,9407 1,5 1,3 1,1 -0,7 0,9 -0,2 0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 LogCe Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite 44 Bảng 3.3 Các thông số phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freunlich hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite Hấp phụ Pb(II) Mô hình Langmuir Hấp phụ Cd(II) Qm (mg/g) KL R2 Qm (mg/g) KL R2 111.111 0.1669 0.999 76.923 0.116 0.995 RL = 0.0195 RL = 0.0279 n KF R2 n KF R2 2.283 17.354 0.927 2.670 13.010 0.940 Frenundlich Giá trị RL tính toán theo mô hình Langmuir hấp phụ Pb(II) Cd(II) nằm khoảng 0÷1 giá trị n tính toán theo mô hình Freunlich nằm khoảng 1÷10 chứng tỏ trình hấp phụ hai ion goethite thuận lợi Hệ số tƣơng quan R2 tính toán theo hai mô hình hấp phụ hai ion lớn 0.9, cho thấy trình hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir Freulich Tuy nhiên, giá trị R2 tính toán theo mô hình Langmuir lớn theo mô hình Freundlich, kết luận hấp phụ Pb(II) Cd(II) goethite phù hợp với mô hình Langmuir Giá trị Qm tính toán theo mô hình Langmuir Pb(II) Cd(II) lần lƣợt 111.111 76.923 mg/g Các giá trị cao so với số liệu công trình công bố [1, 4, 5], cho thấy vật liệu goethite đƣợc tổng hợp với hỗ trợ vi sóng có với diện tích bề mặt lớn nên khả hấp phụ ion kim loại nặng cao 3.2.2 Hấp phụ hỗn hợp ion Việc nghiên cứu hấp phụ hỗn hợp ion phức tạp bị chi phối tƣơng tác ion với bề mặt chất hấp phụ, có tƣơng tác ion với Trong nghiên cứu này, để nghiên cứu hấp phụ đồng thời hai ion dung dịch, thí nghiệm đƣợc tiến hành pH 5.5 với thời gian hấp phụ 120 phút nồng độ Pb(II) đƣợc giữ 200 mg/L Cd(II) đƣợc thay đổi từ 10 đến 45 130 mg/L Kết thể biến đổi dung lƣợng hấp phụ ion vào nồng độ ban đầu Cd(II) đƣợc đƣa hình 3.16 Qe (Pb) Qe (Cd) Qe (tổng) 180,00 Dung lượng hấp phụ (mg/g) 155,57 154,72 145,88 160,00 156,19 156,73 52,04 56,45 134,54 140,00 121,99 120,00 100,00 80,00 60,00 39,77 30,17 40,00 45,89 19,46 6,48 20,00 0,00 20 40 60 80 100 120 140 Co(Cd) (mg/L) Hình 3.16 Sự biến đổi dung lượng hấp phụ ion kim loại goethite nồng độ Cd(II) ban đầu khác Có thể thấy, dung lƣợng hấp phụ Cd(II) từ từ tăng lên, từ 6.48 lên 56.45 mg/g nồng độ ion tăng từ 10 đến 130 mg/L Trong đó, dung lƣợng hấp phụ Pb(II) gần nhƣ giữ nguyên giá trị khoảng 115 mg/g nồng độ ban đầu Cd(II) tăng từ 10 đến 70 mg/L Sau đó, dung lƣợng hấp phụ Pb(II) giảm xuống khoảng nồng độ Cd(II) từ 70 đến 130 mg/L Điều đƣợc giải thích cạnh tranh ion Cd(II) ion Pb(II), lƣợng ion Cd(II) đủ lớn Dung lƣợng hấp phụ tổng cộng hai ion goethite tăng từ 122 mg/g lên đến khoảng 155 mg/g nồng độ ban đầu Cd(II) tăng từ 10 đến 70 mg/L Sau đó, nồng độ Cd(II) tiếp tục tăng lên, dung lƣợng hấp phụ tổng cộng không tăng thêm nữa, chứng tỏ hấp phụ đồng thời hai ion đạt đến trạng thái bão hòa Nhƣ vậy, ảnh hƣởng lẫn ion trình hấp phụ không thực rõ ràng Với dung lƣợng hấp phụ bão hòa khoảng 155 mg/g, vật liệu goethite cho thấy có nhiều khả áp dụng việc xử lý nƣớc chứa hai kim loại Tuy vậy, cần phải có nghiên cứu sâu nhƣ ảnh hƣởng anion, chất 46 hữu cơ, cation hấp phụ hai kim loại Tuy nhiên, thời gian điều kiện hạn chế nên nội dung đề tài chƣa thể nghiên cứu hết vấn đề 3.3 Kết nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) 3.3.1 Ảnh hưởng pH dung dịch Để tìm pH tối ƣu cho trình hấp phụ Cr(VI) goethite, thí nghiệm đƣợc thực pH khác nhau, từ 2.5 đến 6.0 với nồng độ Cr(VI) 80 µM 10 h Kết đƣợc đƣa Hình 3.21 Độ hấp phụ (%) 100 95 90 85 80 pH Hình 3.17 Độ hấp phụ Cr(VI) goethite giá trị pH khác Kết cho thấy, hấp phụ Cr(VI) tăng pH dung dịch tăng đạt cực đại pH 4.0 Sau hấp phụ giảm xuống giá trị pH lớn 4.0 Sự biến đổi đƣợc giải thích điện tích bề mặt goethite dạng tồn Cr(VI) biến đổi pH dung dịch thay đổi Cụ thể, giá trị pH thấp Cr(VI) tồn phần dạng phân tử H2CrO4 nên khả tƣơng tác với bề mặt cảu goethite giảm Ngƣợc lại giá trị pH cao điện tích dƣơng bề mặt FeOOH lại giảm xuống, nên khả hấp phụ ion HCrO4- [51] Nhƣ giá trị pH tối ƣu cho hấp phụ Cr(VI) goethite 4.0 đƣợc lựa chọn cho thí nghiệm 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian tiếp xúc mô hình động học hấp phụ Để xác định thời gia tối ƣu cho hấp phụ Cr(VI) goethite, thí nghiệm đƣợc tiến hành pH 4.0, nồng độ Cr(VI) 80 µM thời gian hấp phụ đƣợc thay đổi từ 30 đến 720 phút Kết đƣợc đƣa Hình 3.22 47 100 95 Độ hấp phụ (%) 90 85 80 75 70 65 60 55 50 20 120 220 320 420 520 620 720 Thời gian (phút) Hình 3.18 Độ hấp phụ Cr(VI) goethite khoảng thời gian khác Có thể thấy, hấp phụ Cr(VI) goethite tăng thời gian tiếp xúc tăng đạt đến trạng thái cân Sự hấp phụ đạt 57 % 30 phút đạt đến 95 % 540 phút Sau giá trị gần nhƣ không biến đổi thời gian hấp phụ dài Chứng tỏ trình hấp phụ đạt đến giá trị cực đại 540 phút thời gian tối ƣu cho trình hấp phụ Cr(VI) Để xây dựng mô hình động học phù hợp, liệu ảnh hƣởng thời gian tiếp xúc đƣợc áp dụng vào phƣơng trình động học bâc bâc Kết đƣợc đƣa Hình 3.19, 3.20 Bảng 3.4 2,5 y = -0,0041x + 2,1812 R² = 0,9084 Log(Qe-Qt) 1,5 0,5 -0,5 100 200 300 400 500 600 700 -1 -1,5 Thời gian (phút) Hình 3.19 Đường biểu diễn mô hình động học bậc hấp phụ Cr(VI) 48 t/Qt y = 0,0088x + 1,0136 R² = 0,9917 0 200 400 600 800 Thời gian (phút) Hình 3.20 Đường biểu diễn mô hình động học bậc hấp phụ Cr(VI) Bảng 3.4 Các thông số động học mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) goethite Mô hình bậc K1.10-3 (phút-1) 8.982 Mô hình bậc Qe (µmol/g) R 46.633 0.877 K2.10-5 (g.mg-1.phút-1) 3.630 Qe (µmol/g) 41.667 Q (thực nghiệm) R2 38.328 0.992 μmol/g Có thể thấy hệ số tƣơng quan R2 tính toán từ mô hình bậc lớn so với từ mô hình bậc 1và giá trị Qe thu đƣợc theo mô hình bậc gần với giá trị thực nghiệm so với theo mô hình bậc Kết chứng tỏ hấp phụ Cr(VI) goethite tuân theo mô hình động học hấp phụ bậc 3.4.3 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu đường đẳng nhiệt hấp phụ Để nghiên cứu ảnh hƣởng nồng độ ban đầu đến trình hấp phụ Cr(VI) goethite, thí nghiệm đƣợc tiến hành pH 4.0 với thời gian tiếp xúc 540 phút Nồng độ ban đầu Cr(VI) đƣợc thay đổi từ 10 đến 150 µM Hình 3.25 thể phụ thuộc độ hấp phụ dung lƣợng hấp phụ vào nồng độ ban đầu Cr(VI) 49 Độ hấp phụ 100 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Độ hấp phụ (%) 95 90 85 80 75 70 65 60 50 100 150 200 250 300 350 Dung lượng hấp phụ (mg/g) Qe 400 CO (mg/L) Hình 3.21 Sự phụ thuộc độ hấp phụ dung lượng hấp phụ Cr(VI) vào nồng độ Cr(VI) ban đầu Dữ liệu cho thấy, độ hấp phụ thay đổi nồng độ ban đầu Cr(VI) nằm khoảng từ 10 đến 200 mg/L Khi nồng độ tiếp tục tăng độ hấp phụ giảm, chứng tỏ lƣợng Cr(VI) tăng lên cao mức độ hấp phụ goethite Dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) nhìn chung tăng lên nồng độ ban đầu Cr(VI) tăng lên Sau mức độ tăng chậm khoảng nồng độ từ 200 đến 300 mg/L, biến đổi nồng độ lớn 300 mg/L Điều cho thấy hấp phụ Cr(VI) đạt đến trạng thái bão hòa nồng độ 300 mg/L Số liệu từ việc nghiên cứu ảnh hƣởng nồng độ ban đầu đƣợc áp dụng vào phƣơng trình đẳng nhiệt Langmuir Freunlich dạng tuyến tính, để thiết lập mô hình phù hợp cho trình hấp phụ Cr(VI) goethite Kết đƣợc đƣa Hình 3.22, 3.23 Bảng 3.5 0,7 y = 0,0059x + 0,0255 R² = 0,9985 Ce/Qe (g/L) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 20 40 60 Ce (mM) 80 100 120 50 Hình 3.22 Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho hấp phụ Cr(VI) goethite Log Qe 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 -1 -0,5 y = 0,3982x + 1,454 R² = 0,8823 0,5 LogCe 1,5 2,5 Hình 3.23 Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho hấp phụ Cr(VI) goethite Bảng 3.5 Các thông số phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freunlich hấp phụ Cr(VI) goethite Mô hình Langmuir Mô hình Freunlich Qm (mg/g) KL R2 RL KF n R2 169.49 0.231 0.998 0.012 28.740 2.100 0.906 Giá trị RL tính toán theo mô hình Langmuir hấp phụ Cr(VI) 0.012, nằm khoảng 0÷1 giá trị n tính toán theo mô hình Freunlich 2.10 nằm khoảng 1÷10 chứng tỏ trình hấp phụ ion goethite thuận lợi Hệ số tƣơng quan R2 tính toán theo hai mô hình hấp phụ hai ion lớn 0.9, cho thấy trình hấp phụ phù hợp với mô hình Langmuir Freulich Tuy nhiên, giá trị R2 tính toán theo mô hình Langmuir lớn theo mô hình Freundlich, kết luận hấp phụ Cr(VI) goethite phù hợp với mô hình Langmuir Giá trị Qm tính toán theo mô hình Langmuir 169.49 mg/g Các giá trị cao so với số liệu công trình công bố, cho thấy vật liệu 51 goethite đƣợc tổng hợp với hỗ trợ vi sóng có với diện tích bề mặt lớn nên khả hấp phụ Cr(VI) với dung lƣợng cao 52 KẾT LUẬN Qua kết nghiên cứu rút số kết luận đề tài nhƣ sau: Đã khảo sát đƣợc ảnh hƣởng nhiệt độ, pH dung dịch vi sóng đến trình điều chế goethite từ dung dịch Fe(NO3)3 với tác nhân kiềm NaOH Kết cho thấy pH thích hợp cho hình thành goethite 12.0 đến 14.0 nhiệt độ ảnh hƣởng không đáng kể đến trình tổng hợp goethite đơn pha Đã khảo sát đƣợc ảnh hƣởng vi sóng đến hình thành goethite Với hỗ trợ vi sóng, goethite đƣợc tổng hợp thời gian ngắn 10 phút Sản phẩm thu đƣợc có kích thƣớc hình dạng đồng Đã nghiên cứu đặc trƣng vật liệu phƣơng pháp XRD, FT-IR, SEM, TGA-DTA Hạt goethite hình thành dƣới tác dụng vi sóng có dạng hình trụ với đƣờng kính từ 30 đến 60 nm chiều dài từ 200 đến 350 nm Sản phẩm thu đƣợc có diện tích bề mặt lớn, 158 m2/g Đã nghiên cứu hấp phụ ion Pb(II), Cd(VI) Cr(VI) vật liệu goethite thu đƣợc phƣơng pháp vi sóng Kết cho thấy hấp phụ Pb(II) Cd(II) đạt đến giá trị cực đại pH 5.5 sau lần lƣợt 120 90 phút Dung lƣợng hấp phụ cạc đại Pb(II), Cd(II) hỗn hợp ion lần lƣợt 111.1, 76.9 155 mg/g Sự hấp phụ Cr(VI) goethite đạt cực đại pH 4.0 sau 540 phút với dung lƣợng hấp phụ cực đại 169.4 mg/g Sự hấp phụ Pb(II) Cr(VI) tuân theo mô hình động học bậc 2, Cd(II) tuân theo mô hình bậc Quá trình hấp phụ kim loại đề phù hợp với đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt II Tiếng Anh Abdel-Samad H., and Watson P R (1997), “An XPS study of the adsorption of chromate on goethite”, Applied Surface Science 108, pp 371-377 Antonietti M., Kuang D., Smarsly B., and Zhou Y (2004), “Ionic liquids for the convenient synthesis of functional nanoparticles and other inorganic nanostructures”, Angewandte Chemie International Edition 43, pp 49884992 Babel S., and Kurniawan T A (2004), “Cr (VI) removal from synthetic wastewater using coconut shell charcoal and commercial activated carbon modified with oxidizing agents and/or chitosan”, Chemosphere 54, pp 951967 Backstrom M., Dario M., Karlsson S., and Allard B (2003), “Effects of a fulvic acid on the adsorption of mercury and cadmium on goethite”, The Science of the Total Environment 10, pp 304 Baghbanzadeh M., Carbone L., Cozzoli P D., and Kappe C O (2011), “Microwave‐assisted synthesis of colloidal inorganic nanocrystals”, Angewandte Chemie International Edition 50, pp 11312-11359 Balistrieri L S., and Murray J W (1982), “The adsorption of Cu, Pb, Zn, and Cd on goethite from major ion seawater”, Geochimica et Cosmochimica Acta 46, pp 1253-1265 Cabral-Prieto A., Reyes-Felipe A A., and Siles-Dotor M G (1998), “Synthesi and characterization of nanophasic goethite”, NanoStructured Materials 10, pp 10 Chen H., Du D (2016), “Microwave-assisted rapid synthesis of Fe2O3/ACF hybrid for high efficient As(V) removal”, Journal of Alloys and Compounds 674, pp 399-405 Christian, S D., Bhat, S N., Tucker, E E., Scamehorn, J F., and El-Sayed, D A (1988), Micellar-enhanced ultrafiltration of chromate anion from aqueous streams, AIChE Journal 34, pp 189-194 10 Costa, M (1997), “Toxicity and carcinogenicity of Cr (VI) in animal models and humans”, Critical reviews in toxicology 27, pp 431-442 11 Costa M (2003), “Potential hazards of hexavalent chromate in our drinking water”, Toxicology and Applied Pharmacology 188, pp 1-5 12 Daichuan D., Pinjie H., and Shushan D (1995), “Preparation of uniform αFe2O3 particles by microwave-induced hydrolysis of ferric salts”, Materials research bulletin 30, pp 531-535 13 Encina E R., Distaso M., Taylor R N K., and Peukert W (2014), “Synthesis of goethite a-FeOOH particles by air oxidation of ferrous hydroxide Fe(OH)2 suspensions: insight on the formation mechanism”, Crystal Growth & Design 12(1), pp 3-8 14 Enlei Z., Guosheng W., Xiaozhu L., and Zhuminz W (2013), “Synthesis and influence of alkaline concentration on α-FeOOH nanorods shapes”, Mater Sci 10(20), pp 37, 15 Freundlich H (1906), “Over the Adsorption in Solution”, Chemical Physics 57, pp 385-470 16 Frost R., Zhu H Y., Wu P., and Bostrom T (2005), “Synthesis of acicular goethite with surfactants”, Materials Letters 59, pp 2238-2241 17 Fu F., Wang Q (2011), “Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review”, Journal of environmental management 92, pp 407-418 18 Gilbert F., Refait P., Lévêque F., Remazeilles C., and Conforto E (2008), “Synthesis of goethite from Fe(OH)2 precipitates: Influence of Fe(II) concentration and stirring speed”, Journal of Physics and Chemistry of Solids 10, pp 32-40 19 Hafez H (2012), “A study on the use of nano/micro structured goethite and hematite as adsorbents for the removal of Cr(III), Co(II), Cu(II), Ni(II), and Zn(II) metal ions from aqueous solutions”, International Journal of Engineering Science and Technology 4, pp 34-46 20 Ho Y S (2006), “Review of second-order models for adsorption systems”, Journal of hazardous materials 136, pp 681-689 21 Ho Y S., McKay G (1999), “Pseudo-second order model for sorption processes”, Process biochemistry 34, pp 451-465 22 Hua M., Zhang S., Pan B., Zhang W., Zhang Q (2012), “Heavy metal removal from water/wastewater by nanosized metal oxides: a review”, Journal of Hazardous Materials 211, pp 317-331 23 Junshe Z (2005), “Adsorption of dimethylarsinate (dma), monomethylarsonate (mma), and arsenate on goethite (α-FeOOH)”, Chemical & Biomolecular Engineering 20, pp 40-55 24 Kikuchi T., Furuichi T., Hai H T., Tanaka S (2009), “Assessment of heavy metal pollution in river water of Hanoi, Vietnam using multivariate analyses”, Bulletin of environmental contamination and toxicology 83, pp 575-582 25 Kubicki J D., Paul K W., Kabalan L., Zhu Q., Mrozik M K., Aryanpour M., Pierre-Louis A.-M., and Strongin D R (2012), “ATR–FTIR and density functional theory study of the structures, energetics, and vibrational spectra of phosphate adsorbed onto goethite”, Langmuir 28, pp 14573-14587 26 Langmuir I (1917), “The constitution and fundamental properties of solids and liquids”, Journal of the Franklin Institute 183, 102-105 27 Marinho J Z., Montes R H O., de Moura A P., Longo E., Varela J A., Munoz R A A., Lima R C (2014), “Rapid preparation of α-FeOOH and αFe2O3 nanostructures by microwave heating and their application in electrochemical sensors”, Materials Research Bulletin 49, pp 572-576 28 Meng, L Y., Wang B., Ma M G., and Lin K L (2016), “The progress of microwave-assisted hydrothermal method in the synthesis of functional nanomaterials”, Materials Today Chemistry 2, pp 63-83 29 Mineno T., Okazaki M (2004), “Adsorption of Cr(VI) ion on synthetic hydrated oxides of iron”, Soil Science and Plant Nutrition 50, pp 1043 1046 30 Mohapatra M., Mohapatra L., Singh P., Anand S., Mishra B K (2010), “A comparative study on Pb(II), Cd(II), Cu(II), Co(II) adsorption from single and binary aqueous solutions on additiveassisted nano-structured goethite”, International Journal of Engineering, Science and Technology 2, pp 89-103 31 Mustafa S., Khan S., Iqbal Zaman M (2010), “Effect of Ni2+ ion doping on the physical characteristics and chromate adsorption behavior of goethite”, Water Research 44, pp 918-926 32 Nüchter M., Ondruschka B., Bonrath W., Gum A (2004), “Microwave assisted synthesis–a critical technology overview”, Green chemistry 6, pp 128-141 33 Owlad M., Aroua M K., Daud W A W., and Baroutian S (2009), “Removal of hexavalent chromium-contaminated water and wastewater: a review”, Water, Air, and Soil Pollution 200, pp 59-77 34 Phuong P K., Son C., Sauvain J J., Tarradellas J (1998), “Contamination by PCB's, DDT's, and heavy metals in sediments of Ho Chi Minh city's canals, Viet Nam”, Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 60, pp 347-354 35 Rengaraj S., Yeon K H., Moon S H (2001), “Removal of chromium from water and wastewater by ion exchange resins”, Journal of Hazardous Materials 87, pp 273-287 36 Richard F C., Bourg A C (1991), “Aqueous geochemistry of chromium: a review”, Water Research 25, pp 807-816 37 Sahoo T R., Armandi M., Arletti, R., Piumetti, M Bensaid, S Manzoli, M., Panda S R., Bonelli B (2017), “Pure and Fe-doped CeO2 nanoparticles obtained by microwave assisted combustion synthesis: Physico-chemical properties ruling their catalytic activity towards CO oxidation and soot combustion”, Applied Catalysis B: Environmental 211, pp 31-45 38 Sheoran A., Sheoran V (2006), “Heavy metal removal mechanism of acid mine drainage in wetlands: a critical review”, Minerals engineering 19, pp 105-116 39 Swedlund P J., Webster J G., Miskelly G M (2009), “Goethite adsorption of Cu(II), Pb(II), Cd(II), and Zn(II) in the presence of sulfate: Properties of the ternary complex”, Geochimica et Cosmochimica Acta 10(1), pp 73-42 40 Thies-Weesie D M E., Hoog J P d., Mendiola M H H., Petukhov A V., and Vroege G J (2007), “Synthesis of Goethite as a Model Colloid for Mineral Liquid Crystals”, Chem Mater 15(1), pp 19 41 Tra Ho T L., and Egashira K (2000), “Heavy metal characterization of river sediment in Hanoi, Vietnam”, Communications in Soil Science & Plant Analysis 31, pp 2901-2916 42 Villalobos M., Trotz M A., and Leckie J O (2001), “Surface Complexation Modeling of Carbonate Effects on the Adsorption of Cr(VI), Pb(II), and U(VI) on Goethite”, Environmental Science & Technology 35, pp 38493856 43 Weerasooriya R., Tobschall H J., Abdel-Samad, Hesham (2000), “Mechanistic modeling of chromate adsorption onto goethite”, Colloids and Surfaces 162, pp 167-175 44 Yang H., Lu R., Downs R T., Costin G (2006), “Goethite, -FeO(OH), from single-crystal data”, Acta Crystallographica E62, pp 88-100 ... nƣớc, phù hợp với xu hƣớng nghiên cứu nhà khoa học nƣớc Do 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 khoa... TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi trƣờng nƣớc - Mã số: ĐH2014 - TN07... BÁO CÁO TỔNG KẾT 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 TRƢỜNG NƢỚC Mã số: ĐH2014-TN07-07 Xác nhận tổ chức chủ trì