nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc vật liệu ống nano cacbon gắn trên gốm và ứng dụng để xử lý asen trong nước bị ô nhiễm


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN





NGUYỄN TUẤN NAM








NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU
ỐNG NANO CACBON GẮN TRÊN GỐM VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ
XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC BỊ Ô NHIỄM






LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

- 2012



TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN







NGUYỄN TUẤN NAM





NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU
ỐNG NANO CACBON GẮN TRÊN GỐM VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ

XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC BỊ Ô NHIỄM



Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 60 44 41





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC




TS. Nguyễn Mạnh Tường




- 2012



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT


Tiếng Anh
Tiếng Việt

AAS
Atomic Absorption
Spectrometric


CNT
Carbon nanotube


CVD
Chemical vapor diposition


MWCNT
Multi  layer carbon
nanotubes


SEM
Scanning electron
microscopy


SWCNT
Single  layer carbon
nanotube


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN 2
1.1. Vật liệu 2
1.1.1. Vật liệu nano và phương pháp chế tạo 2
1.1.2. Ống nano cacbon (CNT) 6
1.1.2. Vật liệu gốm xốp (Ceramic) 13
1.2. Ô nhiễm Asen và phương pháp xử lí 13
1.2.1. Dạng tồn tại của As trong tự nhiên 13
1.2.2 Độc tính của As 17
1.2.3 Tình trạng ô nhiễm As 19
1.2.4. Một số công nghệ xử lý ô nhiễm As 23
Chương 2: THỰC NGHIỆM 26
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 26
2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 26
2.1.2 Nội dung nghiên cứu 26
2.2. Hóa chất, dụng cụ 26
2.2.1 Dụng cụ 26
2.2.2 Hóa chất và vật liệu 26
2.3. Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ 27
2.3.1 Phương pháp tính toán dung lượng hấp phụ cực đại 27
2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM 29
2.3.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt 31
2.4. Kỹ thuật thực hiện 33
2.5. Chế tạo xúc tác 33
2.6. Chế tạo gốm xốp 36
2.7. Chế tạo Gốm/CNT 38
2.7.1. Chế tạo CNT trên gốm xốp 38

2.7.2. Khảo sát khả năng hấp phụ As của vật liệu 41


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1. Chế tạo vật liệu 42
3.1.1. Chế tạo xúc tác 42
3.1.2. Chế tạo gốm xốp 42
3.1.3.Chế tạo CNT trên gốm xốp 48
3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ As của vật liệu 56
KẾT LUẬN 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61



DANH MỤC BẢNG
 42
 
 46
 46
 47
 47

 48
 
 48

 49
 49
 50
Asen 57

 58


DANH MỤC HÌNH
 6
 7
 7
 8
  15

h
--O
2
-H
2

o
C
 16
Hìn
h
--Fe-H
2
O 17
 21
Hình 1.9. Tình hình nhi 22

 22
 23
 27

Hình 2.2.  28
 nguyên lý ca kính hin t quét 31
 32
 34
 35
 37
Hình 2.8. S t    39
 40
 43
 44
 45
 50
 51
 51



2
 52

2
 52

2
53
 53

2
 54


2

 54

2

 55
Hình 3.14. Asen  57
 58
 59


1
LỜI MỞ ĐẦU

                


H 
  
Asen 
Asen 

 


 Asen
 “Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc vật liệu ống nano cacbon
gắn trên gốm và ứng dụng để xử lý Asen trong nước bị ô nhiễm”.

2
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu
1.1.1. Vật liệu nano và phương pháp chế tạo




          
 



 





g


                  
-
down) n
-

 -

 
 -up.


3
Phương pháp từ trên xuống





 


 





Phương pháp từ dưới lên


 



Phương pháp vật lí


* Phương pháp chuyển pha:





4
* Phương pháp bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang):


 


Phương pháp hóa học




ong hóa keo (colloidal
      -  

 áp



Phương pháp sol-gel



-


Quá trình sol-

Phương pháp đồng kết tủa
 
u


5


- 



- Vì các 


- 
 

Phương pháp thủy nhiệt







 

- 

- 



- 

2
S
2
O
3
), hidrazin.


6

            


1.1.2. Ống nano cacbon (CNT) [13]
1.1.2.1. Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon





Hình 1.1. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen


o





  






7

Hình 1.2. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNT
   


 giác.

              


Hình 1.3. Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT


8

Hình 1.4. Mô tả cấu trúc của SWCNT [8]

-
  2-
-

      - 0,36 nm [18  



 


o
C trong
chân không và ~700
o
   

2
/g), có


2



1.1.2.2. Phương pháp chế tạo



9
-   

- Cnano cacbon 
quang.
- nano cacbon 
- nano cacbon 


    
 

-C
và hình thành CNT.



* 

cacbon 
  cacbon cacbon      
 
- 
cacbon

cacbon   


cacbon 
on tin
ác:


10
- 
- 
- 
- 
* 
 

o

Ne 
cacbon 



              

 
* 




cacbon 
cacbon và
cacbon.
* 

(CH
4
, C
2
H
2

 cacbon này
  

0
C - 900
0
C.



11

        


- 
- 
- CVD xúc tác alcohol.

- 
- 
- 
So v ng hóa hc có nhiu
 cho sn phth u chnh mt cách rt chi
tit v ng cn mc ng nano cacbon bng mn: dùng cht
 nó là m in lên b mt ca vt liu cn lng, ri cho các
ng nano cacbon lng trên b mt qu là ch có nhng v 
c in mi mc y ta có th sp
xc các ng nano cacbon vào nhng v trí mong mun, t 
kin tc áp dng  mt s c trên th gii  quy
mô pilot và quy mô sn xut công nghip.
 u qu s dng CNT trong vt liu hp phc ht CNT phi
c hot hóa nhm mn tích b m
dng có th gn thêm nhóm chc. Bn cht ca vt liu nano cacbon là r
mt hóa hc, không tan trong bt kì dung môi nào k c hn hp axit. Bin tính
nano cacbon nhm mn các nhóm ch mt, làm chúng có th
d dàng phân tán trong dung môi, thun li cho vic ch to vt liu hp ph. Mt
trong s nhóm chc có th gn lên b m
 bin tích nano cacbon có nhiu
 dng HNO
3
, hn hp HNO
3
và H
2
SO
4

3

 nhi
háp s dng hn hn và
cho kh n tính sâu nht.


12
1.1.2.3. Ứng dụng ống nano cacbon trong công nghệ môi trường
  
                 
vài nanomet 
 
-
  

2
O
3
vô
         
2
O
3
) có dung

-
-Al
2
O
3


CNT và Fe
2
O
3


theo mô ].
So vi st và oxit nhôm, mangan oxit có ái lc vi các kim loi n
 c nh lên than hot tính, zeolit, cát th hp ph
các kim loi nng [4]. Shu-Guang Wang [19 nh MnO
2
trên nn CNT làm vt
liu hp ph c. Ph nhiu x X-ray cho bit MnO
2
mang trên vt liu
tn ti  dnh hình. Theo mô hình hp ph ng nhing
hp ph Pb(II) ci ca vt liu MnO
2
ng MnO
2
c nh
chim 30% khng thì vt liu cho kh p ph Pb(II) là tt nht.
Wang và cng s tin hành gn các nhóm chc lên trên b mt MWCNT
bng cách axit hóa vi HNO
3
 các tht liu này
 hp ph Pb(II). Kt qu cho thng hp ph ca vt li
 t 7,2 mg/g lên 91 mg/g.
có kh p ph hàng lot các hp cht hm t
c. Ví d ], các hp cha vòng, clobenzen, clophenol [6,

23], thuc nhum, thuc dit c Vt liu compozit ca CNT vi polime xp cho
phép hp ph mt cách tri các hp cht h
Nht liu nano cacbon bc nghiên cu, sn xut
ng dc nhng thành công nhnh. Tuy nhiên vic ng dng nano


13
cacbon trong x c bin rng
rãi. Do vy vic nghiên cu ch to vt liu hp ph  nano cacbon mt
cách có h thng là vic làm ht sc cn thit.
1.1.2. Vật liệu gốm xốp (Porous ceramic)
1.1.2.1. Thành phần và phương pháp chế tạo [20]

2

 - 


1.1.2.2. Ứng dụng trong công nghệ xử lý nước.

 
 
n
  
 






 

1.2. Ô nhiễm Asen và phương pháp xử lí
1.2.1. Dạng tồn tại của As trong tự nhiên

 và

2,5 mg/kg. As 


14

0


0

0
C [1].


5 - 

               
               Các

2
S
3
), Niciolite

(NiAs), Cobaltite (CoAsS), Proustite (3Ag
2
SAs
2
S
3
), Enargite(3Cu
2
SAs
2
S
3




         

 


-
Asenat [As(V)], Asenit[As(III)]. As(V) là
                
    Asen  
4
3-
, HAsO
4
2-

, H
2
AsO
4
-
, H
4
AsO
4
;

còn
(III) hay các Asen
3
AsO
3
, H
2
AsO
3
-
, HAsO
3
2-
và AsO
3
3-

: metyl-arsenic axit, dimethylarsinic axit. Các


15
1.2.1.1. Ảnh hưởng của pH [22]


Hình 1.5. Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của As

axit-

H
3
AsO
3

H
3
AsO
3


H
2
AsO
3
-
+ H
+
pK
1

= 9,23
H
2
AsO
3
-


HAsO
3
2-
+

H
+
pK
2
= 12,10
HAsO
3
2-


AsO
3
3-
+ H
+
pK
3

= 13,41
     pH trung tính, H
3
AsO
3
     
H
2
AsO
3
-

3
2-
và AsO
3
3-
là không


H
3
AsO
4

H
2
AsO
4
-

+ H
+
pK
1
= 2,3
H
2
AsO
4
-


HAsO
4
2-
+ H
+
pK
2
= 6,8
HAsO
4
2-


AsO
4
3-
+ H
+

pK
3
= 11,6

2
AsO
4
-
và HAsO
4
2-


2
AsO
4
-

1.2.1.2 Ảnh hưởng của pH-E
h

-

2
AsO
4
-


16

4
2-
 
3
AsO
4
0
và AsO
4
3-



3
AsO
3
0
(Hình 1.6) [12].

Hình 1.6. Đồ thị E
h
-pH các dạng tồn tại của As trong hệ gồm As-O
2
-H
2
O tại 25
o
C

và áp suất 1 bar [12]




14, 9]. Hình 6 
-Fe-H
2

Asen


mAsen
].


17

Hình 1.7. Đồ thị E
h
-pH của hệ As-Fe-H
2
O [5]
1.2.2 Độc tính của As
                
 

              





50

trung -293mg/kg
và 11-
70-80 mg As
2
O
3
n 
].
AsenAsenat [As (V)]. 
Asenit>Asen

và không màu, không 