Luận Văn Nghiên cứu tổng hợp nanoakaganeite và các sản phẩm nhiệt của nó dùng làm chất xử lí môi trường

Lưu ý cho người tải tài liệu: Nếu với một tin nhắn SMS 15.000 VNĐ thì bạn có 150 xu trong tài khoản thì với 15.000 VNĐ nạp qua thẻ cào thì bạn sẽ được 300 xu (Gấp 2 lần so với nạp xu bằng SMS).
Ví dụ: Bạn nạp 20.000 VNĐ thì tài khoản soever1990 tại KILOBOOKS của bạn sẽ có: 200 xu + 200 xu (khuyến mãi 100%) = 400 xu.
Trạng Quỳnh.com

MỞ ĐẦU
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
sử dụng chúng một cách kinh tế là một nhiệm vụ quan trọng trong việc bảo vệ
môi trường. Trong các hướng xử lý các muối này, điều chế các loại sắt(III)
oxide và hydroxide tồn tại trong tự nhiên như akaganeite, goethite, hematite,
ferri hydroxide 2-line ở kích thước nano có triển vọng lớn ứng dụng vào
xử lý 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 tố tổng hợp đến
tính chất hấp phụ của vật liệu này và tác động nhiệt đến tính chất hấp phụ của
nó. Luận văn này khảo sát vấn đề nêu trên đối với việc tổng hợp akaganeite
nano từ sắt(III) chloride, nhằm tạo cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về điều
kiện tổng hợp ra loại vật liệu akaganeite nano có ứng dụng hiệu quả cao trong
thực tế xử lý môi trường.

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 . 35
Hình 1.13 Giản đồ biểu diễn sự tồn tại của các dạng As(V) ở các pH khác
nhau 36
Hình 1.14 Giản đồ biểu diễn sự tồn tại của các dạng As(III) ở các pH khác
nhau 37
Hình 1.15 Phức bề mặt của oxide sắt với arsenate 38
CHƯƠNG 2
Hình 2.1 Đường chuẩn biễu diễn nồng độ CR theo độ hấp thu quang 58
CHƯƠNG 3
Hình 3.1 XRD của các sản phẩm Ak-x-1-NP-5 70
Hình 3.2 Ảnh SEM của các sản phẩm Ak-x-1-NP-5 . 71
Hình 3.3 XRD của các sản phẩm Ak-1-y-NP-5 . 73
viii
Hình 3.4 Ảnh SEM của các sản phẩm Ak-1-y-NP-5 73
Hình 3.5 XRD của các sản phẩm Ak-1-1-t-5 . 75
Hình 3.6 Ảnh SEM của các sản phẩm Ak-1-1-t-5 . 76
Hình 3.7 XRD của các sản phẩm Ak-1-1-NP-k 77
Hình 3.8 Ảnh SEM của các sản phẩm Ak-1-1-NP-k 78
Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ CR trên sản phẩm Ak-1-1-NP-
5 theo thời gian 80
Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ CR trên sản phẩm Ak-1-1-
NP-5 ở các pH khác nhau . 81
Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ CR trên sản phẩm Ak-1-1-
NP-5 ở các nhiệt độ khác nhau theo thời gian . 83
Hình 3.12 Dung lượng hấp phụ CR theo nồng độ dung dịch ban đầu . 84
Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn dữ liệu hấp phụ CR theo Langmuir và Freundlich
. 85
Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ As(V)theo thời gian 88
Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ As(V) ở các pH khác nhau . 89
Hình 3.16 Dung lượng hấp phụ As(V) theo nồng độ dung dịch ban đầu . 90
Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn dung lượng hấp phụ As(V) theo Langmuir và
Freundlich 91
Hình 3.18 Giản đồ phân tích nhiệt DTA/TG của sản phẩm akaganeite . 92
Hình 3.19 XRD của các sản phẩm akaganeite chưa nung và nung 94
Hình 3.20 Kết quả IR của các sản phẩm nung ở 370oC và 43 430oC . 95
Hình 3.21 Ảnh SEM của các sản phẩm akaganeite chưa nung và sau nung ở
các nhiệt độ khác nhau . 96
Hình 3.22 Đồ thị so sánh % hấp phụ CR của các sản phẩm akaganeite chưa
nung và sau nung 98
ix
BẢNG VIẾT TẮT
Kí hiệu viết tắt Diễn giải Dịch
CR congo red congo đỏ
MB metylene blue metylen xanh
A akaganeite akaganeite
G goethite goethite
H hematite hematite
MFO
Mesostructured
ferricoxyhydroxide
oxyhydroxide sắt có cấu trúc lỗ
xốp trung bình
CTAB
cetyltrimethylammoni
bromide
cetyltrimethylammoni bromide
SDS natri dodecylsulfonate natri dodecylsulfonate
QHS quinine hydrogen sulphate quinine hydrogen sulphate
pzc Point of zero chargre điểm điện tích zero
SIS synthetic iron sulphide Sắt sulphite tổng hợp
SRB-PP Precipitateproduced
bysulphate-reducing bacteria
Kết tủa có cấy vi khuẩn làm giảm
sulphate
MFO-C the CTAB-templated MFO Oxyhydroxide sắt có cấu trúc xốp
trung bình được dưỡng trong
CTAB
MFO-S the SDS-templated MFO Oxyhydroxide sắt có cấu trúc xốp
trung bình được dưỡng trong SDS
XRD X-ray Diffraction nhiễu xạ tia X
SEM
Scanning Electron
Microscope Ảnh hiển vi điện tử quét
BET Brunauer-Emmett-Teller phương pháp đo diện tích bề mặt
IR Infrared reflectography Phổ hồng ngoại
FTIR Fourier transform
infraredreflectography
Quang phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier
TG thermogravimety
DTA differential thermal analysis Phân tích nhiệt vi sai
DSC
Differential scanning
calorimetry Quét vi sai nhiệt lượng
AAS Atomic absorption
spectroscopy
Phổ hấp phụ nguyên tử
SAXS Small-angle X-ray scattering Tán xạ tia X góc nhỏ