Nghiên cứu tổng hợp vật liệu sắt oxit kích thước nano trên nền bentonit để xử lý asen trong nước ngầm (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƢỚC NANO
SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG
NƢỚC NGẦM
TRẦN QUỐC VIỆT
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. Hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm
Đơn vị công tác: Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
2. Hướng dẫn 2: TS. Mai Văn Tiến
Đơn vị công tác: Khoa Môi trường- Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội.

Hà Nội - Năm 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU KÍCH THƢỚC NANO
SẮT OXIT TRÊN NỀN BENTONIT ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG
NƢỚC NGẦM

HUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

TRẦN QUỐC VIỆT

Hà Nội - Năm 2019


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn 1: PGS.TS.Đào Ngọc Nhiệm – Viện Vật Liệu – Viện Hàn
lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam.
Cán bộ hướng dẫn 2: TS. Mai Văn Tiến – Khoa Môi trường – Trường đại học
Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS.Nguyễn Huy Tùng
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Trần Mạnh Trí

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 17 tháng 01 năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý
thuyết và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.Đào
Ngọc Nhiệm - Trưởng phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Tôi xin cam đoan các kết quả này chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu

nào khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo
cáo này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Quốc Việt


XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN NỘP LƢU CHIẾU
CHỦ NHIỆM KHOA
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

PGS.TS. Lê Thị Trinh

PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm

TS. Mai Văn Tiến


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Ngọc Nhiệm,
Trưởng phòng Vật liệu Vô cơ – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Ban giám
hiệu và toàn thể quý thầy, cô giáo trong khoa Môi trường – Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền đạt và giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và
rèn luyện, cũng như đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện được luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS. Mai Văn Tiến- Giảng viên Trường Đại học
Tài nguyên và Môi trường đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn trong suốt quá trình thực
hiện và hoàn thành nghiên cứu này.
Xin cảm ơn anh Phạm Ngọc Chức, anh Đoàn Trung Dũng, chị Nguyễn Hà Chi
phòng Phân tích Vô cơ- Viện Khoa họcVật liệu, đã giúp đỡ tôi về thiết bị máy móc sử
dụng.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành
nghiên cứu này.
Trong thời gian khuôn khổ của một luận văn, chắc chắn sẽ không thể bao quát trọn
vẹn được hết các vấn đề xoay quanh nội dung cần nghiên cứu của luận văn. Vì vậy, tôi
xin chân thành cảm ơn và mong nhận được nhiều ý kiến từ các thầy, cô giáo góp ý bổ
sung cho luận văn này. Qua các ý kiến đóng góp, giúp tôi có thể hoàn thiện hơn vốn
kiến thức của mình trong ứng dụng các vấn đề nghiên cứu vào cuộc sống.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Quốc Việt

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của luận văn ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................1
3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................2
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Nƣớc ngầm và tình hình ô nhiễm ..........................................................................3
1.1.1. Asen và độc tính của asen .....................................................................................3
1.1.2. Sự ô nhiễm asen trong môi trường nước ở Việt Nam và trên thế giới ..................5
1.1.3. Tác hại của Asen đối với con người ......................................................................7
1.2. Tổng quan về bentonite ..........................................................................................8
1.2.1. Thành phần của bentonite ......................................................................................8
1.2.2. Tính chất của bentonite .........................................................................................8
1.3. Hấp phụ và trao đổi ion của vật liệu ...................................................................10
1.3.1. Phương pháp trao đổi ion ....................................................................................11
1.3.2. Phương pháp hấp phụ ..........................................................................................11
1.3.3. Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen .................................................19
1.4. Lựa chọn giải pháp loại bỏ asen bằng phƣơng pháp hấp phụ trên nano Fe2O3
.......................................................................................................................................22
1.5. Phƣơng pháp chế tạo tổng hợp nano sắt oxit .....................................................22
1.5.1. Giới thiệu về nano oxit sắt ...................................................................................22
1.5.2. Các phương pháp tổng hợp nano oxit sắt ............................................................25
CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...30
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................30
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................30
2.1.2 Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................30
2.2. Nguyên liệu, hóa chất dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ......................................30
2.2.1. Thiết bị, dụng cụ ..................................................................................................30
2.2.2. Hóa chất ...............................................................................................................31

2.3. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ...........................................................................31
2.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit, kích thước nanomet ...................................31
2.3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu sắt oxit/bentonit kích thước nanomet. .....................32
2.4. Khảo sát và tối ƣu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp vật liệu ..................34


2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới quá trình tổng hợp vật liệu .............34
2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel tới quá trình tổng hợp vật liệu....................34
2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thể tích AT/PVA tới quá trình tổng hợp vật liệu.........34
2.4.4. Khảo sát nhiệt độ tạo gel tới quá trình tổng hợp của vật liệu..............................34
2.4.5. Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ thể tích Fe3+/(AT+PVA) tới quá trình tổng hợp vật
liệu.............................................................................................................................. ...34
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu .......................................................................35
2.5.1. Phương pháp phân tích nhiệt ...............................................................................35
2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen ...........................................................................36
2.5.3. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu ( kính hiển vi điện
tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM)........................................................38
2.5.4. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng ( phương pháp đo BET) ..................40
2.5.5. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu ...................................41
2.6. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng kim loại asen trong nƣớc ..........................42
2.6.1. Phương pháp phân tích asen theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 6182:1996 (ISO
6595 : 1982 (E)) .............................................................................................................42
2.6.2.Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption
Spectrophotometric- AAS) .....................................................................................................42
2.6.3. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng ....................................... 43
2.7. Phƣơng pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu ................................44
2.7.1. Phương pháp hấp phụ tĩnh ...................................................................................44
2.7.2. Phương pháp hấp phụ động .................................................................................44
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................47
3.1. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến sự hình thành pha của vật liệu

nhƣ nhiệt độ nung, pH tạo gel, tỉ lệ theo thể tích KL/PVA, nhiệt độ tạo gel,... .....47
3.1.1. Vật liệu oxit nano Fe2O3 ......................................................................................47
3.1.2. Vật liệu oxit nano Fe2O3/bentonit........................................................................54
3.2. Nghiên cứu khả năng tái sinh của vật liệu GB ...................................................59
3.3. Kết quả thử nghiệm hiệu quả xử lý Asen đối với mẫu nƣớc thực tế ...............62
3.4. So sánh với các nghiên cứu đã thực hiện ............................................................62
CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................63
1. Kết luận......................................................................................................................63
2. Kiến nghị ...................................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 64


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BET

Brunauer- Emmett- Teller: Phương pháp xác định diện tích bề mặt
riêng lấy theo tên riêng của 3 nhà khoa học

SEM

Scanning Electron Microscopy: Hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua

XRD

X-Ray Diffraction: Nhiễm xạ Rơnghen

PVA

Poli Vinyl Ancol

AT

Axit tartaric

VLHP

Vật liệu hấp phụ

HPVL

Hấp phụ vật lý

HPHH

Hấp phụ hóa học

GB

Vật liệu Fe2O3/Bentonit

qmax

Dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp

Qan toàn

Dung lượng hấp phụ an toàn trên cột


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm asen ..........................................19
Bảng 1.2. Đánh giá sơ bộ khả năng xử lý của các loại vật liệu đang được nghiên cứu
và sử dụng ở Việt Nam. .................................................................................................21
Bảng 3.1. Giá trị ∆pH của dung dịch hấp thụ tại các khoảng ph khác nhau .................51
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ (H%) đối với as(V) của oxit nano
Fe2O3 ..............................................................................................................................52
Bảng 3.3. Dung lượng hấp phụ của Fe2O3 kích thước nanomet đối với as(V) .............53
Bảng 3.4. Kết quả xác định hàm lượng sắt trên bentonit .............................................54
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ as(V). ...............................55
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ As(V) đến dung lượng hấp phụ của vật liệu GB1,
GB2, GB3. .....................................................................................................................56
Bảng 3.7. Các thông số của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với As(V)
trên các vật liệu GB1, GB2 và GB3 ..............................................................................57
Bảng 3.8. Dung lượng hấp phụ asen của một số oxit sắt phủ bentonit theo phương
trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ...............................................................................58
Bảng 3.9. Nồng độ ion Asen (V) còn lại trong dung dịch sau khi đi qua cột hấp phụ..58
Bảng 3.10. Kết quả chạy cột đối với asen lần một trên vật liệu GB .............................59
Bảng 3.11. Nồng độ asen thu hồi được khi giải hấp trên vật liệu GB ...........................60
Bảng 3.12. Kết quả chạy cột đối với asen lần hai trên vật liệu GB ...............................61


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của α-Fe2o3 (a) và γ-Fe2o3 (b) .............................................23
Hình 1.2. Cơ chế hình thành oxit sắt trong mạng PVA .................................................25
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy gel PVA ...........................32
Hình 2.2. Sơ đồ chế tạo vật liệu Fe2O3/bentonit ............................................................33

Hình 2.3. Thiết bị phân tích nhiệt labsysevo .................................................................35
Hình 2.4. Hiện tượng các tia x nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn ........................37
Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử quét Fesem (hitachi s-4800) .........................................38
Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử truyền qua tem (h-7600, hitachi) ..................................39
Hình 2.7. Hình ảnh máy hấp thụ nguyên tử analyst 200 ...............................................43
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel .............................................................47
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau ..................48
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các giá trị pH khác nhau ..................48
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các tỉ lệ AT:PVA khác nhau ............49
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau .........49
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ở các tỉ lệ Fe3+/(AT+PVA) khác nhau 50
Hình 3.7. Ảnh SEM (a) và TEM (b) của oxit Fe2O3 .....................................................51
Hình 3.8. Đồ thị xác định điểm điện tích không của oxit nano Fe2O3 ..........................52
Hình 3.9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ As(V) của Fe2O3 kích thước nanomet ..............53
Hình 3.10. Ảnh SEM của bentonit trước khi phủ Fe2O3 ...............................................54
Hình 3.11. Ảnh SEM của bentonit sau khi phủ Fe2O3 ..................................................55
Hình 3.12. Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ asen của vật liệu GB1(a), GB2 (b) và
GB3 (c) ..........................................................................................................................57


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói
riêng đang trở nên ngày càng nghiêm trọng. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật và công nghệ, môi trường sống của con người ngày càng bị ô nhiễm, ảnh hưởng
trực tiếp đến đời sống và sức khỏe con người, trong đó nghiêm trọng nhất là môi
trường nước. Thật không khó để chúng ta bắt gặp những thông tin về ô nhiễm môi
trường trên các phương tiện truyền thông. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra tình trọng
ô nhiễm môi trường hiện nay mà chúng ta có thể kể đến đó là sự phát triển kinh tế, sự
phát triển về công nghiệp, nông nghiệp, quá trình đô thị hóa và rất nhiều các nguyên

nhân khác nữa.
Nguồn nước chủ yếu được khai thác là nước ngầm. Nước ngầm thường chứa các
chất có hại cho sức khỏe của con người như kim loại, hợp chất lưu huỳnh, hợp chất
nito, halogel và một số các hợp chất khác. Đặc biệt Asen (còn gọi là thạch tín) là một
nguyên tố có hại cho sức khỏe con người như mẩn ngứa, ung thư.
Các phương pháp hóa học, hóa- lý được lựa chọn để xử lý nước như kết tủa, hấp
thụ, hấp phụ, trao đổi ion, oxi hóa khử, tạo phức, keo tụ, sa lắng, lọc màng và thẩm
thấu ngược. Tùy trong yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp xử lý đơn lẻ hay tổ hợp.
Nhu cầu về nước sạch ngày càng tăng cả về chất lượng và số lượng. Trong một vài
năm tới chúng ta phải đảm bảo cho 80% dân số được sử dụng nước sạch. Để đáp ứng
nhu cầu nước sinh hoạt cho người dân, nhất là những hộ dân đang sử dụng nước từ các
giếng khoan ở những vùng nước ngầm ô nhiễm asen, vấn đề loại bỏ asen là cần thiết
và cấp bách.
Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của vật liệu mới vào xử lý môi
trường đặc biệt là môi trường nước ngầm, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật
liệu kích thƣớc nano sắt oxit trên nền bentonit để xử lý asen trong nƣớc ngầm” để
nghiên cứu.
Dựa trên các kết quả thực hiện đề tài, hướng ứng dụng công nghệ chế tạo vật
liệu có kích thước nanomet trong lĩnh vực môi trường nước đáp ứng một phần nhu cầu
về nước sạch hiện nay được đề xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp được vật liệu kích thước nano sắt oxit trên nền bentonit.

1


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn Full