Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt - Phạm Ngọc Chức

Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt Phạm Ngọc Chức Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Hóa học Chuyên ngành: Hóa vô cơ; Mã số: 60 44 25 Người hướng dẫn: PGS.TS. Lưu Minh Đại Năm bảo vệ: 2011 Abstract. Tổng quan về công nghệ nano; nước ngầm và sự ô nhiễm; các giải pháp xử lý As, Fe, Mn; một số phương pháp điều chế vật liệu nano; tổng hợp vật liệu oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích thước nanomet. Trình bày các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm: phương pháp tổng hợp vật liệu; các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu; phương pháp hấp phụ; phương pháp xác định sắt, mangan và asen trong dung dịch. Đưa ra kết quả và thảo luận: vật liệu Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ As trên vật liệu Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ sắt trên oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ mangan trên oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3; một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phu của vật liệu; vật liệu oxit phức hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch anh (TA). Keywords. Hóa học vô cơ; Nước sinh hoạt; Công nghệ Nano Content: Vật liệu oxit sắt, oxit mangan kích thước nanomet được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau nhằm điều chế oxit sắt ở nhiệt độ thấp như: phương pháp sol – gel, phương pháp thủy nhiệt, nhiệt phân trong dung môi không nước, phương pháp đốt cháy gel polime.... Tùy theo nhu cầu ứng dụng mà sử dụng các phương pháp điều chế để tạo ra sản phẩm có những đặc trưng riêng về hình thái và tính chất. Oxit α – Fe2O3 và γ – Fe2O3 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xúc tác, làm chất màu, sensor, xúc tác hấp phụ để xử lý kim loại nặng... Oxit Mn2O3 và MnO2 được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu vì ứng dụng phong phú của chúng trong nhiều lĩnh vực, MnO2 được chế tạo và ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ. Mn2O3 được xử dụng làm vật liệu xúc tác cho quá trình xử lý CO và NOx từ khí thải, xúc tác cho quá trình đốt cháy metan và ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý môi trường .... Vật liệu oxit phức hợp Mn – Fe được nghiên cứu và ứng dụng xử lí asen với qmax = 1,77mmol/g đối với As (III) và 0,93 mmol/g đối với As (V) ở pH = 5. Dựa trên cơ sở phân tích và ứng dụng vật liệu oxit sắt, oxit mangan kích thước nanomet trong lĩnh vực xử lí môi trường vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt” luận văn được thực hiện với các nội dung chính: - Tổng hợp oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 kích thước nanomet. - Xác định các đặc trưng của vật liệu tổng hợp bằng phương pháp XRD, SEM, BET. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ As, Fe, Mn trên vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ As, Fe, Mn trên vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 trên nền cát thạch anh. Từ đó chúng tôi thu được kết quả sau đây: - Bằng phương pháp đốt cháy gel đã tổng hợp được oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3 ở nhiệt độ 550 0C, kích thước hạt cỡ 25nm, với diện tích bề mặt là 68,5 m 2 /g. - Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3 như: nhiệt độ nung, pH, tỷ lệ mol (Mn 2+ + Fe 3+)/PVA, tỷ lệ mol Fe/Mn. Đối với pha oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3, các điều kiện thích hợp là: nhiệt độ nung 5500C, tỷ lệ mol Fe/Mn = 1:1, pH = 4, tỷ lệ mol (Mn2+ + Fe 3+ )/PVA = 1:3. Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu tối ưu Hình 2. Ảnh SEM của mẫu nung ở 5500C - Đã ứng dụng oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3 có kích thước nanomet để hấp phụ As(III), As(V), Fe(III) và Mn(II) ở pH = 7 theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3 có kích thước nanomet đối với As(III) là 41,117 mg/g, đối với As(V) là 48,437 mg/g, đối với Fe(III) là 111,04mg/g, đối với Mn(II) là 98,09mg/g. - Đã tổng hợp oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3/cát thạch anh và ứng dụng xử lí sắt, mangan, asen. Dung lượng hấp phụ cực đại tương ứng đối với As(III), As(V), Fe(III) và Mn(II) lần lượt là: 1,36; 1,53; 3,19; 2,62mg/g. Vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 kích thước nanomet hấp phụ kim loại nặng là rất khả quan. Tuy nhiên, để triển khai vào thực tiễn cần tìm kiếm chất mang thích hợp để phân tán các oxit hỗn hợp này. Trong số các chất mang thì cát thạch anh có ưu điểm là: thành phần khá tinh khiết, cấu trúc bền vững, không bị biến dạng, chịu áp lực cao, ít bị mài mòn trong quá trình sử dụng, kích thước hạt đa dạng và đặt biệt là giá thành thấp. Do đó, chúng tôi chọn chất mang để phân tán oxit là cát thạch anh, vì các thiết bị hấp phụ tách asen, sắt và mangan cần giải quyết bài toán công suất thích hợp và chất lượng nước sau xử lý hay nói cách khác là kích thước vật liệu đủ lớn để đảm bảo tốc độ dòng không gây tắc nghẽn dòng chảy. Cát thạch anh có kích thước hạt 0,5 – 1 mm là thích hợp và được lựa chọn và có khả năng ứng dụng thực tế. References. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 1. Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội (1999), Giáo trình Hoá học môi trường cơ sở, Trường ĐHKHTN. 2. Lê Văn Khoa (1995), Môi trường và ô nhiễm, NXB Giáo dục. 3. Đặng Kim Chi (1998), Hoá học môi trường, NXBKHKT Hà Nội. 4. Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường (1994), Tổng quan hiện trạng môi trường Việt Nam, Hà Nội. 5. Lưu Đức Hải, Đỗ Văn ái, Võ Công Nghiệp, Trần Mạnh Liễu (2005), Chiến lược quản lý và giảm thiểu tác động ô nhiễm asen tới môi trường và sức khoẻ con người, Tuyển tập hội thảo Quốc tế “Ô nhiễm asen: Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ con người và giải pháp phòng ngừa”, Hà Nội. 6. Lê Văn Cát (2002), Hấp phu ̣và trao đổi ion trong kỹ thuâṭ xử lý nước và nước thải, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội. 7. Nguyễn Hữu Phú (1998), Các tạp chất ô nhiễm thường gặp trong các nguồn nước, Hội thảo quốc gia: Hóa học và công nghệ hóa học với trương trình nước sạch và vệ sinh môi trường. Ban chỉ đạo quốc gia – Viện hóa học. 8. Nguyêñ Hữu Phú (2003), Hóa lý và hóa keo, nhà xuất bản KHKT, Hà Nôị. 9. Đinh Hải Hà (2010), Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường, Nhà xuất bản Khoa học – Kỹ thuật, Hà Nội. 10. Nguyễn Đình Bảng (2004), Các phương pháp xử lý nước, nước thải. Khoa Hóa học – Trường Đại học KHTN – Đại học QGHN. 11. Phan Văn Tường (2004), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm. Khoa Hóa học – Trường Đại học KHTN – Đại học QGHN. 12. Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano – công nghệ nền và vật liệu nguồn. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội. 13. Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích Vật lý và Hoá lý, Trường ĐHKHTN. 14. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008), “Tổng hợp Mn2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel ở nhiệt độ thấp”, Tạp chí hóa học, T.46 (4), Tr.451 – 455. 15. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm (2009), “Tổng hợp α – Fe2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và sử dụng để hấp phụ asen”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Xúc tác – Hấp phụ toàn quốc lần thứ 5, Tr.213 – 216. 16. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008), “Tổng hợp MnO2 kích thước nanomet bằng phương pháp bốc cháy gel và nghiên cứu khả năng sử dụng MnO2 kích thước nanomet để hấp phụ asenic”, Tạp chí Hóa học, T46 (2A),Tr451 – 455. 17. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan (2009), “Tổng hợp γ – Fe2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và nghiên cứu khả năng hấp phụ sắt, mangan, asen”, Tạp chí Hóa học, T.47 (6A), Tr.260 – 264. 18. Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn Thị Tố Loan (2009), “Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen, mangan và sắt bằng α – Fe2O3 kích thước nanomet trên nền silicat”, Tạp chí Hóa học, T.47 (6A), Tr.265 – 268. 19. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Võ Quang Mai (2011), “Chế tạo vật liệu cát thạch anh phủ nano oxit β – MnO2 và γ – Fe2O3 để hấp phụ asen”, Tạp chí Hóa học, T.49 (3A), Tr.6 – 10. TÀI LIỆU TIẾNG ANH 20. McGraw-Hill (1997), Encyclopedia of Science and Technology, 8th edition. 21. J.C. Miller (2005), The handbook of nanotechnology, Wiley VCH, pp.26. 22. C. Meldrum et al (1991), “Synthesis of inorganic nanophase materials in supramolecular protein cages”, Nature, Vol. 394, pp.684-687. 23. K.J. Klabunde (1994), Free Atoms, Clusters and Nanoparticles, Academic Press, San Diego. 24. E.M. Lucas and K.J. Klabunde (1999), “Nanocrystals as destructive absorbants for mimcs of chemical warfare agents”, Nanostructured Materials, Vol. 12, pp.1. 25. C. Wang, A. Cui, Z. Deng (2001), “Preparation of Cuprous oxide particles of different crystallinit”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 243, pp.85-92. 26. B. Balamurugan, B. R. Mehta (2001), “Optical and structural properties of nanocystalline copper oxide thin films prepared by actived reactive evaporation”, Thin solid films, Vol. 396, pp.90-96. 27. R. Smalley (1992), Congressional Hearing, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 27, pp. 361-370. 28. T. Boronina, K.J. Klabunde, G. Sergeev (1995), “Destruction of Organohalides in Water Using Metal Particles: Carbon Tetrachloride/Water Reactions with Magnesium, Tin, and Zinc”, Environ. Sci. Technol, Vol. 29, pp.1511-1517. 29. E.M. Lucas and K.J. Klabunde (1999), “Nanocrystals as destructive absorbants for mimcs of chemical warfare agents”, Nanostructured Materials, Vol. 12, pp.179-182. 30. M. McGehee, Stanford Univ (2003), Organic and Polymericphotovollatic Cells, Presented at NSF Organic, available at mrc.utexas.edu/. 31. L. Schlapbach and A. Züttel (2001), “Hydrogen-storage Materials for mobile applications”, Nature, Vol. 414, pp.353-358. 32. M. Peter (2005), “Ion exchange. An over view of technologies useful for arsenic removal”, Vetrapure water, 22(5), pp.42-43. 33. Kim, M. J and Nriagn, J (2000), “Oxidation of arsenic in ground using ozone and oxygen”, Science of the total environment, 247, pp.71 – 79. 34. M. Bissen, F. H. Frimmel, Arsenic areview. Part II (2003), “Oxidation of arsenic and its removal in water treatment”, Acta hydrochim. Hydrobiol. 31(2), pp.97 – 107. 35. Dinesh Mohan, Charles U.Pittman Jr (2007), “Review arsenic removal from water/waste water using adsortbents – critical review”, J Hazard Mater. 2007. 01.006. 36. Daus,R.Wennrich, H. Weiss (2004), “Sorption materials for arsenic removal from water: a comparative study”, water Res. 38(12), pp.2948 – 2954, 2004. 37. T.Yuan, J. Y. Hu, S.L.Ong, Q.F.Luo, W.J.Ng (2001), “Arsenic removal from household drinking water by adsorption”, J. Environ. Sci. Health A37(9), pp.1721 – 1736. 38. Lucy M. Camacho, Ramona R. Parra, Shuguang Deng (2011), “Arsenic removal from groundwater by MnO2-modified natural clinoptilolite zeolite: Effects of pH and initial feed concentration”, Journal of Hazardous Materials 189, pp.286–293. 39. Altundoan, S.; Tỹmen, F.; Bildik, M (2002), “Arsenic adsorption from aqueous solutions by activated red mud”, Waste Management 22, pp.357-363. 40. A. G. Merzano (1993), “Theory and Paractice of SHS”: Worlwide state of the art and Newest Results, International Journal of Self Propagating High Temperature, 2 (2), pp.113 – 158. 41. P. Deb, A. Basumallick, P. Chatterjee, and S.P. Sengupta (2001), “Preparation of α – Fe2O3 nanoparticles from a nonaqueous precursor medium”, Scripta Materialia, 45, pp.341 – 346. 42. P. Chauhan, S. Annapoorini, S.K. Trikha (1999), “Humidity – sensing properties of nanocrystalline hematite thin films preparared by sol – gel processing”, Thin Solid Films, 45, pp.266 – 268. 43. Bingjie Liu, Dongfeng Wang, Haiyan Li, Ying Xu, Li Zhang (2011), “As(III) removal from aqueous solution using α-Fe2O3 impregnated chitosan beads with As(III) as imprinted ions”, Desalination 272, pp.286–292. 44. M.H. Khedr, K.S. Abdel halim, N.K. Soliman (2009), “Synthesis and photocatalysis activity of nano sized iron oxides”, Materials Letters, 63, pp.598 – 601. 45. Zhou Gui, Rong Fan, Xian Hui Chen, Yi Cheng Wu (2001), “A simple direct preparation of nanocrystalline γ – Mn2O3 at ambient temperature”, Inorganic Chemistry Communication, 4, pp.294 – 296. 46. Shuyuan Zhang, Zhiwen Chen, Shun Tan, Jian Wang and Sizhao Jin (1997), “Prepation and microstructure of nanometer sized Mn2O3”, Nanostructured Materials, 8 (6), pp.719 – 723. 47. P. Julius Pretorius, Peter W. Linder (2001), “The adsorption characteristics of δ – mangansas dioxide: a collection of diffuse double layer constants for the adsorption of H + , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ and Pd 2+”, Applied Geochemistry, 16, pp.1067 – 1082. 48. Kanaparthi Ramesh, Luwei Chen, Ziyi Zhong, Jianhau Chin, Hongwai Mook, Yi Fan Han (2007), “Preparation and characterization of coral like nanostructured α – Mn2O3 catalyst for catalytic combustion methane”, Catalysis Communications, 8, pp.1421 – 1426. 49. Gaosheng Zhanga,b, Jiuhui Qua, Huijuan Liua, Ruiping Liua, Rongcheng Wua (2007), “Preparation and evaluation of a novel Fe–Mn binary oxide adsorbent for effective arsenite removal”, Water research, 41, pp.1921 – 1928. 50. Wei Xu, Hongjie Wang, Ruiping Liu, Xu Zhao, Jiuhui Qu (2011), “Arsenic release from arsenic-bearing Fe–Mn binary oxide: Effects of Eh condition”, Chemosphere 83, pp.1020–1027. 51. Jennifer. A, Wilkie, Janet. G. Hering (1996), “Adsorption of onto hydrous ferric oxide: effects of adsorbate/adsorbent ratios and co – occurring solutes”, Colloid Surfaces A, 107, pp.97 – 110. 52. J.N. Moore, J.R. Walker, T.H. Hayes (1990), “Reaction scheme for the oxidation of As(III) to arsenic (V) by birnessite”, Clays Clay Miner, 38, pp.549 – 555. 53. Sunbaek Bang, Manish Patel, Lee Lippincott, Xiaoguang Meng (2005), “Removal of arsenic from groundwater by granular tiannium dioxide adsorbent”, Chemosphere, 60, pp.389 – 3896. 54. T.Tuutijarvi, J.Lu, M. Sillanpaa, G. Chen (2009), “As(V) adsorption on maghemite nanoparticles”, Journal of Hazardous Materials, 166, pp.1414 – 1420. 55. Kaushik Gupta, Uday Chand Ghosh (2009), “Arsenic removal using hydrous nanostructure iron (III) – titanium (IV) binary mixed oxide from aqueous solution”, Journal of Hazardous Materials, 161, pp.884 – 892. 56. Yun Fan, Fu Shen Zhang, Yinan Feng (2008), “An effective adsorbent developed from municipal solid waste and co – combustion ash for As(V) removal from aqueous solution”, Journal of Hazardous Materials, 159, pp.313 – 318.