Đề tài Nghiên cứu tổng hợp Nano - Akaganeite và các sản phẩm nhiệt của nó dùng làm chất xử lí môi trường
Hàng năm, các ngành công nghiệp luyện kim, khai khoáng và sản xuất hóa chất thải ra một lượng rất lớn các muối sắt(II) và sắt(III). Việc nghiên cứu sửdụng chúng một cách kinh tếlà một nhiệm vụquan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Trong các hướng xửlý các muối này, điều chếcác loại sắt(III) oxide và hydroxide tồn tại trong tựnhiên nhưakaganeite, goethite, hematite, ferri hydroxide 2-line… ởkích thước nano có triển vọng lớn ứng dụng vào xửlý môi trường. Đã có nhiều nghiên cứu tổng hợp akaganeite, tuy nhiên chưa có công trình nào nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tốtổng hợp đến tính chất hấp phụcủa vật liệu này và tác động nhiệt đến tính chất hấp phụcủa nó. Luận văn này khảo sát vấn đềnêu trên đối với việc tổng hợp akaganeite nano từsắt(III) chloride, nhằm tạo cơsởcho các nghiên cứu sâu hơn về điều kiện tổng hợp ra loại vật liệu akaganeite nano có ứng dụng hiệu quảcao trong thực tếxửlý môi trường.
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Nghiên cứu tổng hợp Nano - Akaganeite và các sản phẩm nhiệt của nó dùng làm chất xử lí môi trường, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
*********
NGUYỄN THỊ NGỌC THƠ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO-
AKAGANEITE VÀ CÁC SẢN PHẨM NHIỆT
CỦA NÓ DÙNG LÀM CHẤT XỬ LÍ MÔI
TRƯỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
*********
NGUYỄN THỊ NGỌC THƠ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO-
AKAGANEITE VÀ CÁC SẢN PHẨM NHIỆT
CỦA NÓ DÙNG LÀM CHẤT XỬ LÍ MÔI
TRƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH: HÓA VÔ CƠ
MÃ SỐ: 60.44.25
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS: HOÀNG ĐÔNG NAM
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2011
Lôøi caûm ôn
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Hoàng Đông Nam
đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều để thực
hiện đề tài này.
Cảm ơn gia đình đã động viên tôi, tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tôi thực hiện ước mơ của mình.
Tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy Cô, các bạn Sinh Viên,
Cao Học Viên K16 – Hóa Vô Cơ đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong quá trình thực nghiệm.
Cảm ơn tất cả.
Lôøi caûm ôn
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Hoàng Đông Nam
đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều để thực
hiện đề tài này.
Cảm ơn gia đình đã động viên tôi, tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tôi thực hiện ước mơ của mình.
Tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy Cô, các bạn Sinh Viên,
Cao Học Viên K16 – Hóa Vô Cơ đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong quá trình thực nghiệm.
Cảm ơn tất cả.
i
Mục lục
Mục lục ......................................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU .......................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ ............................................................................... vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................................. 2
1.1. Tổng quan về akaganeite β-FeOOH ................................................................................... 2
1.1.1. Giới thiệu .............................................................................................................. 2
1.1.2. Cấu trúc ................................................................................................................ 2
1.1.3. Hình thái và kích thước tinh thể .......................................................................... 5
1.1.4. Diện tích bề mặt riêng và tính xốp ....................................................................... 7
1.1.5. Tính chất .............................................................................................................. 9
1.1.5.1. Phổ IR ........................................................................................................... 9
1.1.5.2. Phổ XRD ......................................................................................................11
1.1.5.3. Phổ DTA/TG ................................................................................................11
1.1.5.4. Sự biến đổi nhiệt của akaganeite .................................................................14
1.1.6. Một số ứng dụng của akaganeite ........................................................................16
1.2. Các phương pháp điều chế akaganeite ..............................................................................17
1.2.1. Đi từ hệ Fe(III) ....................................................................................................17
1.2.2. Đi từ hệ Fe(II) ......................................................................................................19
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành sản phẩm akaganeite .......................................19
1.3.1. Ảnh hưởng của pH ..............................................................................................19
1.3.2. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân ...................................................................22
1.3.3. Ảnh hưởng của nguồn sắt ...................................................................................23
1.3.4. Ảnh hưởng của các cation/anion lạ .....................................................................24
1.3.4.1 Ảnh hưởng của các cation Cu2+, Al3+, Cr3+ .....................................................24
1.3.4.2 Ảnh hưởng của F- ............................................................................................25
1.3.5. Ảnh hưởng của chất hữu cơ ................................................................................25
1.3.5.1. Ảnh hưởng của urea ....................................................................................25
1.3.5.2. Ảnh hưởng của urotropin (hexamethylenetetramine) ................................26
1.3.5.3. Ảnh hưởng của natri polyanethol sulphonate.............................................26
1.3.6. Ảnh hưởng của nồng độ tác chất ........................................................................27
1.3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân ....................................................................29
ii
1.4. Hấp phụ trên bề mặt oxyhydroxide sắt .............................................................................30
1.4.1. Các nhóm chức trên bề mặt oxide/oxyhydroxide sắt .........................................30
1.4.2. Điện tích bề mặt ..................................................................................................31
1.4.3. Hấp phụ anion .....................................................................................................32
1.4.4. Các kiểu phối trí trên bề mặt ..............................................................................35
1.4.5. Hấp phụ arsenic trên akaganeite ........................................................................35
Chương 2 THỰC NGHIỆM ......................................................................................................40
2.1 Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................................40
2.2 Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................................40
2.3 Các phương pháp và kĩ thuật dùng trong nghiên cứu ......................................................41
2.3.1. Phương pháp SEM (Scanning Electron Microscope): .......................................41
2.3.2. Phương pháp BET: .............................................................................................41
2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD): ..................................................................43
2.3.4. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai: ...................................................................44
2.3.5. Phương pháp trắc quang: ...................................................................................45
2.3.6. Phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS):..........................................46
2.4 Các công thức tính toán .....................................................................................................47
2.4.1. Xác định chính xác nồng độ KMnO4 theo H2C2O4.2H2O ...................................47
2.4.2. Xác định chính xác nồng độ FeCl3 ......................................................................47
2.4.3. Xác định nồng độ congo đỏ .................................................................................48
2.4.4. Xác định dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ .........................................48
2.5 Hóa chất – Dụng cụ - Thiết bị ............................................................................................48
2.6 Tiến trình thực nghiệm ......................................................................................................49
2.6.1. Pha các dung dịch ...............................................................................................49
2.6.1.1. Dung dịch FeCl3 ...........................................................................................49
2.6.1.2. Dung dịch NaOH .........................................................................................49
2.6.1.3. Dung dịch KMnO4 ~ 0,05N không chứa vết MnO2 .....................................50
2.6.1.4. Dung dịch axit oxalic 0,1N ...........................................................................50
2.6.1.5. Các dung dịch H2SO4 (1:1) ; HCl (1:2) ; H3PO4 đặc ...................................50
2.6.1.6. Dung dịch SnCl2 10%: .................................................................................50
2.6.1.7. Dung dịch HgCl2 bão hòa (~ 4,5%) .............................................................50
2.6.1.8. Hỗn hợp bảo vệ Zymmerman: ....................................................................50
2.6.1.9. Dung dịch đệm pH = 8,60 ............................................................................50
2.6.1.10. Dung dịch Na2HAsO4.7H2O 1g/l (dung dịch gốc) .......................................51
2.6.2. Xác định chính xác nồng độ các dung dịch.........................................................51
iii
2.6.2.1. Dung dịch KMnO4 .......................................................................................51
2.6.2.2. Dung dịch FeCl3 ...........................................................................................51
2.6.3. Phương pháp điều chế nano-akaganeite .............................................................52
2.6.4. Các thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm điều
chế .............................................................................................................................54
2.6.5. Khảo sát hoạt tính của các sản phẩm bằng phản ứng hấp phụ congo đỏ ..........55
2.6.6.1. Sơ lược về congo đỏ .....................................................................................56
2.6.6.2. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ congo đỏ C32H22O6N6S2Na2 .............56
2.6.6.3. So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu điều chế ở mục 2.6.5 ...................58
2.6.6.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ congo đỏ của sản
phẩm Ak-1-1-NP-5 ..........................................................................................................59
2.6.6. Khảo sát khả năng giải hấp congo đỏ .................................................................61
2.6.7. Khảo sát khả năng hấp phụ metylen blue (MB) .................................................62
2.6.8. Khảo sát hoạt tính xúc tác...................................................................................62
2.6.9. Khảo sát khả năng hấp phụ arsenate của mẫu được chọn .................................63
2.6.10. Khảo sát các sản phẩm nhiệt của akaganeite .....................................................65
2.6.8.1. Khảo sát chế độ nung mẫu: .........................................................................66
2.6.8.2. So sánh hoạt tính hấp phụ CR của các mẫu nung và chưa nung ...............67
2.6.11. Xử lí mẫu As thực ...............................................................................................67
Chương 3 KẾT QỦA VÀ BIỆN LUẬN .....................................................................................69
3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm tổng hợp .............................69
3.1.1. Nồng độ Fe3+ ........................................................................................................69
3.1.2. Nồng độ OH- ........................................................................................................72
3.1.3. Nhiệt độ phản ứng ...............................................................................................74
3.1.4. Tốc độ khuấy trộn ...............................................................................................76
3.1.5. Kết luận các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của akaganeite tổng hợp ............79
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình hấp phụ CR của akaganeite tổng hợp được ...79
3.2.1. Khảo sát dung lượng hấp phụ theo thời gian .....................................................79
3.2.2. Ảnh hưởng của pH ..............................................................................................80
3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ .......................................................................82
3.2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ CR ở các nồng độ khác nhau ................................84
3.2.5. Đẳng nhiệt hấp phụ .............................................................................................85
3.3. Khảo sát khả năng giải hấp congo đỏ ................................................................................86
3.4. Khảo sát khả năng hấp phụ metylen blue trên akaganeite tổng hợp ................................86
3.5. Khảo sát hoạt tính xúc tác của akaganeite khi có mặt của O2 không khí .........................87
iv
3.6. Khảo sát khả năng hấp phụ As(V) trên akaganeite tổng hợp ...........................................87
3.6.1. Khảo sát dung lượng hấp phụ theo thời gian .....................................................87
3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................88
3.6.3. Khảo sát khả năng hấp phụ As(V) ở các nồng độ khác nhau ............................89
3.6.4. Đẳng nhiệt hấp phụ As(V) ..................................................................................90
3.7. Khảo sát sự biến đổi nhiệt của akaganeite tổng hợp .........................................................92
3.7.1. Kết quả phân tích nhiệt DTA/TG của akagaeite tổng hợp ................................92
3.7.2. Khảo sát thành phần pha của các sản phẩm nhiệt .............................................93
3.7.3. Khảo sát thành phần pha của các sản phẩm nung ở nhiệt độ trước và sau peak
tỏa nhiệt .............................................................................................................................95
3.7.4. Khảo sát hình thái sản phẩm nhiệt .....................................................................95
3.7.5. Khảo sát diện tích bề mặt riêng của các sản phẩm nhiệt ...................................97
3.8. So sánh khả năng hấp phụ congo đỏ của akaganeite chưa nung với các sản phẩm sau khi
nung của nó ................................................................................................................................98
3.9. Xử lí mẫu thực: nước sông nhiễm As.................................................................................99
Chương 4 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
v
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
CHƯƠNG 1
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của việc thêm HCl trong quá trình thuỷ phân FeCl3 ở
90oC ............................................................................................................. 20
Bảng 1.2 Ảnh hưởng của nồng độ tác chất trong quá trình thuỷ phân FeCl3 . 27
Bảng 1.3 Tóm tắt các công trình nghiên cứu hấp phụ As .............................. 38
CHƯƠNG 2
Bảng 2.1 Hoá chất ........................................................................................ 48
Bảng 2.2 Dụng cụ ........................................................................................ 49
Bảng 2.3 Thiết bị .......................................................................................... 49
Bảng 2.4 Bảng tóm tắt kí hiệu các sản phẩm tổng hợp .................................. 55
Bảng 2.5 Cách chuẩn bị các dung dịch CR để dựng đường chuẩn ................ 57
Bảng 2.6 Giá trị mật độ quang của các dung dich CR dựng đường chuẩn ..... 57
Bảng 2.7 Bảng tóm tắt kí hiệu sản phẩm nung của Ak-1-1-NP-5 .................. 66
CHƯƠNG 3
Bảng 3.1 Dung lượng hấp phụ congo đỏ của các sản phẩm tổng hợp khi thay
đổi nồng độ Fe3+ ........................................................................................... 70
Bảng 3.2 Kết quả BET của các sản phẩm Ak-x-1-NP-5 ................................ 72
Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ congo đỏ của các sản phẩm tổng hợp khi thay
đổi nồng độ OH- ........................................................................................... 72
Bảng 3.4 Kết quả BET của các sản phẩm Ak-1-y-NP-5 ................................ 74
Bảng 3.5 Dung lượng hấp phụ congo đỏ của các sản phẩm tổng hợp khi thay
đổi nhiệt độ .................................................................................................. 75
Bảng 3.6 Kết quả BET của các sản phẩm Ak-1-1-t-5 .................................... 76
Bảng 3.7 Dung lượng hấp phụ congo đỏ của các sản phẩm tổng hợp khi thay
đổi tốc độ khuấy ........................................................................................... 77
Bảng 3.8 Kết quả BET của các sản phẩm Ak-1-1-NP-k ................................ 78
Bảng 3.9 Độ hấp phụ CR trên mẫu Ak-1-1-NP-5 theo thời gian ................... 79
vi
Bảng 3.10 Độ hấp phụ CR trên mẫu Ak-1-1-NP-5theo pH .......................... 81
Bảng 3.11 Độ hấp phụ CR trên mẫu Ak-1-1-NP-5 ở các nhiệt độ khác nhau
theo thời gian ................................................................................................ 83
Bảng 3.12 Độ hấp phụ CR trên mẫu Ak-1-1-NP-5 ở các nồng độ CR khác
nhau ............................................................................................................. 84
Bảng 3.13 Hiệu suất giải hấp bằng NaOH ở các tỉ lệ thể tích ........................ 86
Bảng 3.14 So sánh hoạt tính của sản phẩm tổng hợp khi không có và có O2 . 87
Bảng 3.15 Dung lượng và hiệu suất hấp phụ As(V) theo thời gian................ 87
Bảng 3.16 Dung lượng và % hấp phụ As(V) theo pH dung dịch ban đầu ...... 88
Bảng 3.17 Dung lượng hấp phụ As(V) theo nông độ As(V) .......................... 89
Bảng 3.18 Kết quả BET của mẫu akaganeite chưa nung so với khi nung ở
100oC, 300oC, 500oC .................................................................................... 97
Bảng 3.19 Dung lượng và % hấp phụ CR của mẫu chưa nung và sau nung .. 98
Bảng 3.20 Nồng độ As(V) trong mẫu thực trước và sau khi xử lí ................. 99
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ
CHƯƠNG 1
Hình 1.1 Cấu trúc của akaganeite ................................................................... 3
Hình 1.2 Akaganeite tổng hợp: a) somatoid , b) rod-like, c) Si-akaganeite ..... 6
Hình 1.3 Akaganeite từ vùng biển Đỏ ............................................................. 7
Hình 1.4 Sáu loại đẳng nhiệt hấp phụ ............................................................. 7
Hình 1.5 Phổ hồng ngoại của các oxide sắt trong khoảng 400 - 4000 cm-1 .... 9
Hình 1.6 Phổ FTIR của a) akaganeite đã loại bỏ chloride, b) akaganeite
không loại bỏ chloride .................................................................................. 10
Hình 1.7 Giản đồ XRD của akaganeite dạng que (CuKα, 2o/min) ................. 11
Hình 1.8 Giản đồ nhiệt vi sai của akaganeite ................................................ 12
Hình 1.9 Các đường cong TG/DTG/DSC của akaganeite ............................ 13
Hình 1.10 Akaganeite được đun nóng ở 200oC trong 2 giờ trong chân không
và lỗ có bề rộng khoảng 1nm dạng khe hở chạy dọc theo mặt [001] ............. 15
Hình 1.11 Mô hình phối trí của các nhóm hydroxyl với nguyên tử Fe trên bề
mặt oxide sắt ................................................................................................ 31
Hình 1.12 Các kiểu phối trí trên bề mặt oxide sắt ............................
