Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Xuân Huân

Cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Xuân Huân

Tải bản đầy đủ - 0trang

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Xuân Huân,

Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã chỉ bảo tận tình và giúp

đỡ tơi trong thời gian thực hiện khóa luận.

Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong khoa Môi trường, Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên đã truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian tôi

học tập tại trường.

Tôi cũng xin cảm ơn phòng thí nghiệm Nghiên cứu mơi trường, phòng thí

nghiệm bộ môn Tài nguyên và môi trường đất đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi

hồn thành các thí nghiệm.

Cuối cùng tơi xin cảm ơn gia đình và bạn bè ln ủng hộ và động viên trong

q trình học tập cũng như hồn thành khóa luận.



Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Sinh viên: Nguyễn Văn Thành



DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt



Giải nghĩa



b



Hằng số đặc trưng chất hấp phụ và chất bị hấp phụ



Ce



Nồng độ dung dịch tại trạng thái cân bằng



Co



Nồng độ dung dịch ban đầu



FTIR



Phổ hồng ngoại



mg



Miligam



ml



Mililit



nm



Nanomet



NASA



Cơ quan Hàng khơng Vũ trụ Hoa Kỳ



Pb



Chì



Qe



Dung lượng hấp phụ



Qmax



Dung lượng hấp phụ cực đại



US



Hoa Kỳ



SEM



Kính hiển vi điện tử quét



TEOS



Tetraetoxysilan



XRD



Phổ Rơngen



XRF



Phổ huỳnh quang tia X



DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn.....................15

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua.................16

Hình 3. Mơ hình phát xạ huỳnh quang....................................................................17

Hình 4. Sơ đồ cấu tạo và cơ chế hoạt động của máy PCD Mütek 05. Phân bố ion

trong dung dịch khi không có dòng chuyển động (a) và có dòng chuyển động (b).19

Hình 5. Dung dịch sol nano silica...........................................................................22

Hình 6. Sản phẩm nano silica.................................................................................22

Hình 7. Giản đồ XRD của nano silica.....................................................................23

Hình 8. Giản đồ XRD của nano silica điều chế bởi Xuejing Chen, Jianguo Jiang,

Feng Yan, Sicong....................................................................................................23

Hình 9. Phổ huỳnh quang tia X của vật liệu nano silica..........................................24

Hình 10. Phổ IR của các hạt nanosilica...................................................................24

Hình 11. Ảnh Fe-SEM của các hạt nanosilica.........................................................26

Hình 12. Ảnh Fe-SEM của các hạt nanosilica chế tạo bởi Thái Hồng và nhóm

nghiên cứu .............................................................................................................26

Hình 13. Ảnh hưởng của pH đến sự biến thiên điện tích bề mặt của nano silica....27

Hình 14. Nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các thời gian khác nhau

................................................................................................................................ 28

Hình 15. Nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và hiệu suất xử lý ở các pH khác nhau.......30

Hình 16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir chì của vật liệu nano silica............32

Hình 17. Nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và hiệu suất xử lý khi thay đổi nồng độ chì

(Pb2+) ban đầu.........................................................................................................32

Hình 18. Nồng độ chì sau xử lý và hiệu suất xử lý chì của nano silica...................34



DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. Kết quả phân tích định lượng các nguyên tố có trong mẫu.......................23

Bảng 2: Kết quả xác định điện tích bề mặt của vật liệu nano silica ở các pH khác

nhau.......................................................................................................................27

Bảng 3. Số liệu khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý..................28

Bảng 4. Số liệu khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý...........................29

Bảng 5. Số liệu về nồng độ chì (Pb2+) sau xử lý và tính tốn số liệu thiết lập phương

trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir........................................................................31

Bảng 6. Số liệu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nano silica đưa vào đến hiệu

suất xử lý chì.........................................................................................................33



MỤC LỤC

MỞ ĐẦU..................................................................................................................1



MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, nơng nghiệp

và đơ thị hóa, con người phải đối mặt với nhiều nguy cơ về ô nhiễm môi trường,

đặc biệt là vấn đề ơ nhiễm kim loại nặng điển hình là ơ nhiễm kim loại chì trong

nước đang nhận được nhiều sự quan tâm.

Chì là ngun tố tự nhiên có khối lượng nguyên tử cao, tỉ trọng lớn và được

ứng dụng phổ biến trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, y tế và công nghệ.

Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi chì trong nhiều lĩnh vực cùng với các nguồn gây ơ

nhiễm chì như khai thác mỏ, nước thải làng nghề, nước thải công nghiệp, luyện

kim... đã và đang làm tăng mối quan ngại về tác động tiềm tàng của chúng đối tới

sức khỏe con người và mơi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý ơ nhiễm kim loại

chì trong nước đang được cho là hướng nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn cao cần

được khuyến khích hiện nay. Có nhiều phương pháp xử lý chì khác nhau đã được áp

dụng như: phương pháp hóa lý (kết tủa hóa học, oxy hóa-khử, trao đổi ion, xử lý

điện hóa) và sinh học (hấp phụ và hấp thụ bằng thực vật thủy sinh, vật liệu sinh học,

chuyển hóa sinh học). Tuy nhiên, công nghệ nano là một công nghệ mới được ứng

dụng hiệu quả trong xử lý ô nhiễm. Vật liệu nano silica là vật liệu nano có nhiều ưu

điểm và tính năng vượt trội như tỷ trọng thấp, bền nhiệt, cơ học và trơ hóa học, nó

giúp tăng khả năng và hiệu quả của việc ứng dụng vào xử lý các vấn đề môi trường.

Như vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica và ứng dụng xử lý

kim loại chì trong nước” là cơng trình nghiên cứu tiếp nhận được cơng nghệ tiên

tiến, có khả năng áp dụng thực tế với những nội dung chính: Điều chế vật liệu nano

silica và nghiên cứu khả năng xử lý kim loại chì trong nước.



1



CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano

1.1.1. Khái niệm cơng nghệ nano và vật liệu nano [2]

Nano có nghĩa là nanomét (ký hiệu: nm) bằng một phần tỷ mét một đơn vị đo

lường để đo kích thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất là ngun

tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử là tập hợp của nhiều nguyên tử: 1 nm, vi khuẩn:

50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm.

Công nghệ nano là ngành cơng nghệ điều khiển hình dáng, kích thước trên

quy mơ nanomet (1nm = 10-9m) trong thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các

cấu trúc, thiết bị, hệ thống. Cơng nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:

• Cơ sở khoa học nano

• Phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mơ nanomet

• Chế tạo vật liệu nano

• Ứng dụng vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet,

có thể tồn tại ở 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Hiện nay, chúng ta đang chủ yếu tập

trung nghiên cứu vật liệu nano ở trạng thái rắn, sau đó mới đến các chất lỏng và khí.

Hình dáng vật liệu nano được phân ra thành 3 loại chính gồm:

• Vật liệu nano khơng chiều – cả 3 chiều đều có kích thước nano, khơng

còn chiều tự do điện tử (ví dụ: hạt nano, đám nano).

• Vật liệu nano một chiều – hai chiều có kích thước nano, một chiều tự do

cho điện tử (ví dụ: ống nano, dây nano).

• Vật liệu hai chiều – một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên

2 chiều (ví dụ: màng mỏng).

Ngồi ra, hình dáng vật liệu nano còn có loại vật liệu có cấu trúc nano hay

các hợp phần nano (trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm) hoặc

cấu trúc của nó có nano khơng chiều, 1 chiều và 2 chiều đan xen lẫn nhau.[2]

1.1.2. Lịch sử hình thành của cơng nghệ nano

2



Thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) xuất hiện từ những năm 70 của

thế kỷ XX, chỉ việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và

hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mơ nanơmét. Chúng

có độ chính xác rất cao 0,1 - 100nm, tức là chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân

tử.

Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi

Lohman sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200nm. Năm 1974,

Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano hàm ý sự liên kết các vật

liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano

biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ mét. Cho tới nay, vẫn chưa có được

một định nghĩa thống nhất về công nghệ nano. Theo cơ quan Hàng không Vũ trụ

Hoa Kỳ (NASA), công nghệ nano là công nghệ chế tạo ra các cấu trúc, vật liệu,

thiết bị và hệ thống chức năng với kích thước đo bằng (khoảng từ 1 đến 100nm) và

khai thác ứng dụng các đặc tính độc đáo của những sản phẩm này. Cơng nghệ nano

cũng có thể hiểu là ngành cơng nghệ dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện

tượng, tính chất của cấu trúc vật lý có kích thước đặc trưng ở thang nano.

1.1.3. Đặc điểm, tính chất của vật liệu nano [2]

Các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi ngun tử được tự do thể hiện tồn

bộ tính chất của mình trong tương tác với mơi trường xung quanh. Điều này đã làm

xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, là khả năng xúc tác hấp phụ và các

tính chất điện, quang, từ, xúc tác...

Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano 3

hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước.

• Hiệu ứng bề mặt

Ở vật liệu nano, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên

tử của vật liệu lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối, nên số các tâm hoạt hóa

và diện tích bề mặt của vật liệu cũng tăng lên rất nhiều so với vật liệu dạng khối. Vì

thế các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề

mặt… của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó đã mở ra những ứng dụng mới

trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang

quan tâm, nghiên cứu.

• Hiệu ứng kích thước



3



Các vật liệu truyền thống thường đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lý,

hóa học khơng đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi,

tính axit… Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ bất biến nếu kích

thước vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thước vật liệu

xuống đến cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm), thì các đại lượng lý, hóa ở trên khơng

còn bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích

thước. Kích thước mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất được gọi là

kích thước giới hạn. Ví dụ như: Điện trở của một kim loại ở kích thước vĩ mơ mà ta

thấy hàng ngày sẽ tuân theo định luận Ohm. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu

xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường là

vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm khơng còn đúng nữa. Lúc đó điện trở

của vật liệu có kích thước nano sẽ tn theo các quy tắc lượng tử.

Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học… của các vật

liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1nm đến 100nm, nên ở vật liệu nano

các tính chất này đều có biểu hiện khác thường so với vật liệu truyền thống.

• Hiệu ứng lượng tử

Đối với các vât liệu thơng thường hình thành từ rất nhiều ngun tử (1µm 3

vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử). Các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho

tất cả các ngun tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của

từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với vật liệu

nano, do kích thước của vật liệu nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng

tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các

hiệu ứng lượng tử như hiệu ứng đường ngầm…

1.1.4. Tổng quan về vật liệu nano silica

1.1.4.1. Khái quát vật liệu nano silica

Nano silica là loại vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng cao do có ưu điểm:

tỷ trọng thấp, bền nhiệt và cơ học và trơ hóa học. Hạt nano silica chứa tâm màu là

các hạt SiO2 xốp kích thước nano chứa được một số lượng lớn phân tử màu hữu cơ

trong một hạt silica đơn. Nền silica lại ổn định về cấu trúc, khơng độc, có khả năng

tương thích sinh học cao. Nano silica dễ dàng biến tính để tăng hiệu quả sử dụng

của từng mục đích.

a) Cấu trúc của nano silica [17]



4



Silica là tên thường gọi của đioxit silic (SiO 2), có cấu trúc mạng lưới khơng

gian ba chiều, trong đó mỗi ngun tử ơxi nằm ở đỉnh, còn silic nằm ở tâm của tứ

diện đều, nếu các tứ diện này được sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica

cấu trúc tinh thể, ngồi ra silica còn có cấu trúc vơ định hình. Silica khơng tồn tại

dưới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dưới dạng tinh thể, nghĩa là dưới dạng một

phân tử khổng lồ.

Silica được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên ở dạng cát hay thạch anh, cũng

như trong cấu tạo thành tế bào của tảo cát. Silica là một khoáng vật phổ biến trong

vỏ Trái Đất. Silica có thể tổng hợp được ở nhiều dạng khác nhau như: Silica gel,

Silica khối, aerogel, xerogel, silica keo, silica xốp,...

Trong tự nhiên với điều kiện áp suất thường, silica tồn tại chủ yếu ở dạng

tinh thể hoạc vi tinh thể (thạch anh, triđimit, cristobalit, cacedoan, đá mã não). Một

số dạng silica có cấu trúc tinh thể được tạo ra ở nhiệt độ và áp suất cao như coesit

và stishovit. Như vậy, mỗi dạng đa hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ

thấp, dạng β bền ở nhiệt độ cao.

Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO 4 nối

với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO 4, nguyên tử Si nằm ở

trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ

diện. Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác

nhau và tính trung bình cứ trên mặt ngun tử Si có hai nguyên tử O và công thức

của silic đioxit là SiO2.

Ba dạng đa hình của silic đioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diện

SiO4 trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp sao cho các

nguyên tử Si nằm trên đường xoắn ốc. Tùy theo chiều của đường xoắn ốc mà ta có

thạch anh quay trái hay quay phải. Trong triđimit, các nguyên tử Si chiếm vị trí của

các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit. Trong cristobalit, các nguyên tử Si

chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphelarit.

Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của silic

đioxit có cấu trúc vi tinh thể. Mã não là chất rắn, trong suốt, gồm có những vùng có

màu sắc khác nhau và rất cứng. Opan là một loại đá quý không có cấu trúc tinh thể.

Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứa khơng

khí, nước hay hơi nước. Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, đỏ, lục và

đen do có chứa các tạp chất.



5



Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silic đioxit nặng

hơn thạch anh là coesit (được tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt độ 250 oC) và

stishovit (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 1300oC).

Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đun nóng bất kì dạng nào khi để nguội

chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một vật liệu vơ định hình giống như

thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng và khơng

nóng chảy ở nhiệt độ khơng đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi

nóng chảy ra. Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định được rằng trong trạng

thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên tử khác giống

như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn

hơn.

b) Tính chất

Silica (SiO2) màu trắng, có tỉ trọng 2,4 g/cm 3 và khối lượng phân tử là 59,96

g/mol. Các tính chất nhiệt của các hạt nano silica được các nhà khoa học nghiên cứu và

tìm thấy là nóng chảy ở 1600oC và sơi ở 2230oC. Silica xốp, diện tích bề mặt lớn vì vậy

silica rất dễ hấp phụ, ví dụ trong khơng khí ẩm silica hấp phụ nước trên bề mặt tạo các

nhóm OH−. Silica khơng hòa tan trong nước và bất kỳ dung môi, không độc, không mùi,

ổn định hóa học.

Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và axit

ngay cả khi đun nóng. Ở điều kiện thường, nó chỉ tác dụng với F2 và HF.

SiO2 + 2F2 → SiF4 + O2

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

Silic đioxit còn tan trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2

Những phản ứng này cũng xảy ra chậm ở trong dung dịch khi đun sôi silic đioxit

ở dạng bột mịn.

1.1.4.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu

Có nhiều phương pháp tổng hợp nano silica từ các nguồn với dung môi, xúc

tác, pH, nhiệt độ khác nhau. Smith và đồng nghiệp đã tổng hợp hạt nano silica có

kích thước từ 20-80 nm bằng việc thủy phân tetraetoxysilan (TEOS) trong dung



6



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Xuân Huân

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×