Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở nanocomposite của sio2 và ống nanocarbon từ vỏ trấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Bùi Thị Hà

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ
TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO2 VÀ
ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2014

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Bùi Thị Hà

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ
TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO2 VÀ
ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU
Chuyên ngành: Hóa môi trƣờng
Mã số : 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Trần Hùng
PGS.TS. Nguyễn Văn Nội

Hà Nội - 2014

2


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.1. TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU ...... Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nƣớc ta ............... Error!
Bookmark not defined.
1.1.2. Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp . Error! Bookmark
not defined.
1.2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON .......... Error! Bookmark not
defined.
1.2.1. Giới thiệu về vật liệu nano cacbon .................. Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon ..... Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Các phƣơng pháp chế tạo ống nano cacbon .... Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Ứng dụng vật liệu nano cacbon trong xử lý nƣớc ......... Error! Bookmark not
defined.
1.3. GIỚI THIỆU VỀ PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ . Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Hiện tƣợng hấp phụ ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc ...................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Động học hấp phụ ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.4. Cân bằng hấp phụ- Các phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ ... Error! Bookmark
not defined.

1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC NHIỄM CHÌ .... Error! Bookmark not
defined.
1.4.1. Các dạng tồn tại của kim loại Chì ................... Error! Bookmark not defined.
1.4.2. Độc tính của chì .............................................. Error! Bookmark not defined.
3


1.4.3. Ứng dụng của chì ............................................ Error! Bookmark not defined.
1.4.4. Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm chì ............... Error! Bookmark not defined.
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ....................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Mục tiêu .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Nội dung nghiên cứu ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Hóa chất, dụng cụ ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Dụng cụ - Thiết bị ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Hóa chất .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Các phƣơng pháp sử dụng trong thực nghiệm ... Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng SiO2 .......... Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....... Error! Bookmark not defined.
2.3.3. Nhiễu xạ Rơnghen X (X-ray diffraction XRD) ............ Error! Bookmark not
defined.
2.3.4. Phƣơng pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS. ... Error! Bookmark not
defined.
2.4. Chế tạo vật liệu................................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Chế tạo nano silica .......................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT ...... Error! Bookmark not
defined.
2.4.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT .... Error! Bookmark not
defined.
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............... Error! Bookmark not defined.
3.1. Chế tạo nano silica ............................................. Error! Bookmark not defined.

3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng của công đoạn xử lý axit Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của chế độ nung ............................................................ 54

4


3.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT .......................................... 58
3.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT ....... Error! Bookmark not
defined.
3.4. Khảo sát, đánh giá đặc tính của vật liệu ............. Error! Bookmark not defined.
3.4.1. Kết quả phân tích ảnh SEM ............................ Error! Bookmark not defined.
3.4.2. Kết quả phân tích XRD ................................... Error! Bookmark not defined.
3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh ion Pb2+ của vật liệu .... Error! Bookmark not
defined.
3.5.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Pb2+ ...... Error! Bookmark not defined.
3.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+ ..... Error! Bookmark
not defined.
3.5.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+của vật liệu ..... Error! Bookmark not
defined.
3.5.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb2+ ................ Error!
Bookmark not defined.
3.6.1. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của CNT ....... Error! Bookmark not
defined.
3.6.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của nano silica Error! Bookmark not
defined.
3.6.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của nano composite chƣa biến tính
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.6.4. Đánh giá tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu ..... Error! Bookmark not
defined.
KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined.

Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 73

5


LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Trần Hùng
và PGS.TS. Nguyễn Văn Nội đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu
và hoàn thành luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh, chị tại Viện Hóa Học Vật liệu –
Viện Khoa Học Công Nghệ Quân Sự đã chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này.
Nhân dịp này em xin được chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Hóa Môi
trường và Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ, trang bị
cho em các kiến thức khoa học cơ bản trong suốt quá trình tôi học tập tại trường.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã luôn
bên cạnh động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 08 tháng 11 năm 2014
Học viên cao học
Bùi Thị Hà

6


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Trang
Hình 1. Sơ đồ quy trình thu hồi Si

từ trấu ........................................................... ...4

Hình 2. Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro đốt ....................................................... ...6
Hình 3. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen.................................................. 10
Hình 4. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNT ......................................... 11
Hình 5. Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT .................................................... 12
Hình 6. Mô tả cấu trúc của SWCNT ........................................................................ 12
Hình 7. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................ 22
Hình 8. Đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ....................................................... 22
Hình 9. Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Pb ............................................... 23
Hình 10. Tia tới và tia phản xạ trên tinh thể ............................................................ 34
Hình 11. Quy trình chế tạo nano silica từ trấu ........................................................ 37
Hình 12. Sơ đồ quá trình biến tính SiO2/CNT bằng hỗn hợp axit ........................... 38
Hình 13. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào thời gian xử lý .................................... 41
Hình 14. Sự phụ thuộc hàm lượng Si

vào nhiệt độ xử lý ..................................... 42

Hình 15. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào tỉ lệ trấu/axit ...................................... 43
Hình 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu ................ 45
Hình 17. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu ............... 46
Hình 18. Ảnh SEM của nano silica .......................................................................... 49
Hình 19. Ảnh SEM của nanocomposite SiO2/CNT .................................................. 49
Hình 20. Kết quả đo XRD của vật liệu nanocomposite ........................................... 50
Hình 21. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu .......... 51
Hình 22. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu ................... 52
Hình 23. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với Pb2+ ........................................ 54
Hình 24. Đường thẳng xác định hệ số của phương trình Langmuir với Pb2+ ......... 54

7


Hình 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu ........... 56
Hình 26. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của CNT với Pb2+ ....... 57
Hình 27. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của nano silica với
Pb2+.. ....................................................................................................................... 58
Hình 28. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của vật liệu chưa biến
tính với Pb2+ ............................................................................................................. 59
Hình 29. Khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu ......................................................... 60

8


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 1. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng ............................................ 20
Bảng 2. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào thời gian xử lý ..................................... 40
Bảng 3. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào nhiệt độ xử lý ....................................... 42
Bảng 4. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào tỉ lệ trấu/axit ........................................ 43
Bảng 5. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào số lần tái sử dụng ................................ 44
Bảng 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu .................. 45
Bảng 7. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu ................ 46
Bảng 8. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến kích thước hạt SiO2........................... 47
Bảng 9. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến khối lượng vật liệu ........................... 48
Bảng 10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb2+ . 51
Bảng 11. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+ ........... 52
Bảng 12. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb2+ .......... 53
Bảng 13. Kết quả khảo sát nhiệt độ tối ưu hấp phụ Pb2+ ........................................ 55

Bảng 14. Kết quả khảo sát Langmuir với CNT ........................................................ 56
Bảng 15. Kết quả khảo sát Langmuir với nano silica .............................................. 58
Bảng 16. Kết quả khảo sát Langmuir với vật liệu chưa biến tính ........................... 59
Bảng 17. Tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb2+ ...................................... 60

9


CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu

Giải thích

BRHA

Tro trấu đen

CNF

Sợi nano cacbon

CNT

Ống nano cacbon

CVD

Chemical vapour deposition

MWCNT

Ống nano cacbon đa lớp

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

SWCNT

Ống nano cacbon đơn lớp

WRHA

Tro trấu trắng

XRD

Nhiễu xạ tia X

10


TÀI LIỆU THAM KHẢO:
Tài liệu tiếng Việt
1. Phùng Văn Bé, Lê Tự Hải (2011), “Nghiên cứu tách ion Pb2+ trong dung dịch
nƣớc bằng vật liệu hấp phụ tanin chiết tách từ vỏ keo tai tƣợng”, Tạp chí Khoa
học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 1(42) 2011.
2. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong xử lý nước và nước thải, Nxb
Thống kê, Hà Nội.

3. Trƣơng Hoài Chính, Huỳnh Quyền, “Nghiên cứu quy trình thu hồi Silica từ tro
trấu, ứng dụng tổng hợp phụ gia cho xi măng mác cao” (Phần 1), Tạp chí khoa
học và công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 8(57) 8 -14, 2012.
4. Bùi Danh Đại (2005), Nghiên cứu chế tạo microsilica từ tro trấu thay thế muội
silic trong bê tông chất lượng cao, Hà Nội.
5. Trần Văn Đức (2012), Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+ trong
nước bằng vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu, luận văn thạc sĩ khoa học, Trƣờng Đại
học Đà Nẵng.
6. Nguyễn Đình Huề (1982), Giáo trình Hóa lí, Nxb Giáo dục, Hà Nội.
7. Nguyễn Vĩnh Khanh, Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn thay thế than
đá từ chất thải rắn và tro trấu, Trƣờng ĐH Nguyễn Tất Thành.
8. Nguyễn Ngọc Linh, Nguyễn Thị Thanh Thúy, Lê Đức Trung (2007), “Sử dụng
vật liệu hấp phụ tự nhiên để xử lý kim loại nặng trong bùn thải công nghiệp”,
Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 10, số 01-2007.
9. Trần Văn Nhân, Hồ Thị Nga (2005), giáo trình công nghệ xử lý nước thải, Nxb
Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội.
10. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (1998), Hóa lý tập 2, Nxb
Giáo dục, Hải Phòng.

11


11. Nguyễn Tiến Tài (2012), “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học
thế hệ mới từ trấu bằng phƣơng pháp nhiệt phân trên thiết bị phản ứng tầng
sôi”, Báo cáo kết quả khoa học công nghệ đề tài, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam.
12. Nguyễn Trung Thành, Nguyễn Thị Thùy Trang, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn
Thy Thy, Lê Ngọc Hằng, Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lò gạch thủ công làm
chất hấp phụ metyl da cam, Trƣờng Đại học An Giang, Trung tâm Quan Trắc
và kĩ thuật tài nguyên – Môi trƣờng An Giang.

13. Phạm Đình Vũ, Võ Thị Thanh Châu, Đinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa (2008),
“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nao quản trung bình MCM – 41 với nguồn oxit
silic đƣợc điều chế từ vỏ trấu”, Tạp chí Hóa học và ứng dụng, số 5(77), tr. 4749.
Tài liệu tiếng Anh
14. A. Borrell, V.G. Rocha, R.Torecillas, A. Fernánder (2011),“ Surface coating on
carbon nanofibers with alumina precursor by different synthesis routes ”,
Composites Science and Technology, pp 18-22.
15. B.Xing, K.Yang, L.Zhu (2006), “Pollution prevention and treatment using
nanotechnology”, Environ.Sci.Technol, 40, pp.18-55.
16. Bui, D. D., et al. Particle size effect on the strength of rice husk ash blended
gao-graded Portland cement concrete. Cement and concrete composites. Vol.
27, pp. 357-366, 2005.
17. Dao Van Dong, Pham Duy Hƣu, Nguyen Lan (2008), “Effect of rice husk ash
on properties of hight strength concrete”, The 3rd ACF international conferenceACV/VCA.
18. G Roy Chaudhury, PK Dash, VN Misra, K Srinivasa Rao, D Sarangi (2005),
“Treatment of waste water containing Pb and Fe using ion-exchange
techniques”, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 80, 892-898.

12


19. H. Figueiredo, B. Fonseca, C. Quitelas, Z. Rocha, B. Silva, T. Tavares (2009),
“Removal of Cd(II), Cr(IV), Fe(III) and Ni(II) from aqueous solution by an
E.coli biofilm supported on kaolin”, Chem. Eng. J, 149, pp. 319-324.
20.

H.

S.

Nalwa

(2000),

Handbook

of

Nanostructure

Materials

and

Nanotechnology, Volume 5: Organics Polymers, and Biological Materials,
Copyright by Academic Press. 19. H. Figueiredo, B. Fonseca, C. Quitelas, Z.
Rocha, B. Silva, T. Tavares (2009), Removal of Cd(II), Cr(IV), Fe(III) and
Ni(II) from aqueous solution by an E.coli biofilm supported on kaolin, Chem.
Eng. J, 149, pp. 319-324.
21. K.B.Ashim, K.N Tarun, K.D. Sudip (2009), “Adsorption of Cd(II) and Pb(II)
from aqueous solution on activated alumina”. Colloid Interface Sci, 333, pp. 1426.
22. M. Janik Czachor, J. Tasny (1992), “A SER investigation of Fe(bpy)3+ complex
on silver”, Electrochimica Acta, 37(12), pp. 2347 – 2352.
23. M.T Laumakis, P.J Martin, K. Owens, S. Pamucku (1995), Proceeding of the
International Conference on Hazard Waste Management, New York: ASCE, ,
pp. 528-535.
24. P.J.F. Haris (1990), Carbon nanotubes and related structure – new materials for
the twenty-first century, Cambridge, Cambridge University Press.
25. Poinern (2010), “Preparation, characterization and As (V) adsorption behaviour
of CNT-ferrihydrite composites”, International Journal of Engineering, Science

and Technology, pp. 13-24.
26. Quingge Feng, Qingyu Lin, Fuzhong Gong, Shuichi Sugita, Masami Shoya
(2004), Adsorption of lead and mercury by rice husk ash, Journal of Colloidand
Interface Science 278, 1-8.
27. R.Q.Long, R.T.Yang (2001), “Carbon nanotubes as superior sorbent for dioxin
removal”, J.Am.Chem.Soc, 123, pp. 20-58.

13


28. Renata S. Amais, Juliana S.Ribeiro, Mariana G.Segatelli, InezV.P.Yoshida,
Pedro O.Luccas, Cesar R.T.Tarley (2007), “Aseessment of nanocomposite
alumina supported on multi-wall carbon nanotubes as sorbent for on-line nikel
preconcentration in water samples”, Separation and Purification Technology
58, pp 122-128.
29. S. D. Genieva, S. Ch. Turmanova, A. S. Dimitrova, L. T. Vlaev (2008),
“Characterization of rice husks and the products of its thermal degradation in air
or nitrogen atmosphere”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol.
93, 2, 387-396.
30. S. Iijima and T. Ichihashi (1993), Nature, 363, pp. 603-605.
31. S. Iijima (2002). Phiscal B 323, pp. 1-5.
32. Saowaroj Chuayjuljit, Supparat Eiumnoh, Pranut Potiyaraj (2001), Using Silica
from Rice Husk as a Reinforcing Filler in Natural Rubber, J. Sci. Res. Chula.
Univ., Vol. 26, No. 2.
33. Shilpi Agarwal, Vinod K. Gupta, Tawfik A. Saleh (2011), “ Synthesis and
characterization of alumina – coated carbon nanotubes and their application for
lead removal”, Journal of Hazardous Materials, 185, pp. 17-23.
34. Shu Guang Wang (2007), “Removal of lead (II) from aqueous solution by
adsorption onto manganese oxide coated carbon nanotubes”, Separation and
Purification Technology, 58, pp. 17-23.

35. Ho Si Thang, Nguyen Thi Ai Nhung, Dinh Quang Khieu, Tran Thai Hoa,
Nguyen Huu Phu (2008), Direct hydrothermal synthesis of mesoporous SnSBA-16 materials under weak acidic conditions, International scientific
conference on “Chemistry for development and integrantion”, 12-14
September, pp. 806-816.

14


36. V.K. Gupta, D. Mohan, S. Sharma S, K. Srivastava (1997), Design parameters
for fixed bed reactors of activated carbon developed from fertilizer waste for
the removal of some heavy metal ions, 17, pp. 517-522.
37. V.K.Gupta, M. Gupta, S. Sarma (2011), Process development for the removal of
lead and chromium from aqueous solutions using red mud-an aluminium
industry waste, Water Res, 35, pp. 1125-1134.
38. X.L.Wang, B.S.Xing, K.Yang, L.Z.Zhu (2006), “Competitive sorption of
pyrene, phenanthrene, and naphthalene on multiwalled carbon nano tubes”,
Environ.Sci.Technol, 40, pp. 58-04.
39. Y. Jei-Won, S. Rengaraj, K. Won-ho, K. Younghun (2007), “Application of mgmesoporous alumina prepared by using magnesium stearate as a template for
the removal of nickel: kinetics, isotherm and error analysis”, Ind. Eng. Chem.
Res, 46, pp. 2834-2842.
40. Yan Hui Lia, Zechao Di, Jun Ding, Dehai Wu,Zhaokun Luan, Yanqiu Zhu
(2005), “Adsorption thermodynamic, kinetic and desorption studies of Pb2+ on
carbon nanotubes”, Water Research 39, pp. 605–609.
41. Yunfei Xi, Megharaj Mallavarapu, Ravendra Naidu (2010), “ Reduction and
adsorption of Pb2+ in a queous solution by nano-zero-valent-A SEM, TEM and
XPS study”, Material Research Bullentin 45, pp 1361-1367.

15