Nghiên cứu điều chế vật liệu magnesium silicate vô định hình để hấp phụ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHAN THANH LONG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU
MAGNESIUM SILICATE VƠ ĐỊNH HÌNH
ĐỂ HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG
TRONG NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: K THU T H

HỌC

Mã chuyên ngành: 60.52.03.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình đƣợc hồn thành tại Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Văn Tán
Ngƣời phản iện 1: .......................................................................................................
Ngƣời phản iện 2: .......................................................................................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc ảo vệ tại Hội đồng ch m ảo vệ Luận văn thạc sĩ Trƣờng
Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ......................................................................... - Chủ tịch Hội đồng
2. ......................................................................... - Phản iện 1
3. ......................................................................... - Phản iện 2

4. ......................................................................... - Ủy viên
5. ......................................................................... - Thƣ ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Văn Cƣờng


BỘ CÔNG THƢƠNG

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN THANH LONG

MSHV: 16083271

Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1985

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã chuyên ngành: 60520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu điều chế vật liệu Magnesium silicate vơ định hình để h p phụ kim loại
nặng trong nƣớc thải công nghiệp.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng hợp vật liệu magnesium silicate vơ định hình theo mơ hình trực giao ậc 2 của
Box – Wilson dựa vào khả năng h p phụ đồng thời các ion P , Cd, s.
Xác định tính ch t của vật liệu:
 Định tính và định lƣợng thành phần ngun tố hóa học,
 Diện tích ề mặt, thể tích lỗ xốp, kích thƣớc hạt,
 C u trúc vật liệu (XRD), nhóm chức đặc trƣng (FTIR), Phổ TG .
Khảo sát khả năng h p phụ đồng thời a ion kim loại nặng Cd, P ,

s trong mẫu

nƣớc c t thêm chuẩn và đánh giá trên mẫu nƣớc thải thực tế ở quy mô phịng thí
nghiệm.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
Theo Quyết định số 591/QĐ-ĐHCN ngày 01/02/2018 của Hiệu trƣởng Trƣờng Đại
học Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh.


III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 01/08/2018
IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Lê Văn Tán

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
NGƢỜI HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO

PGS.TS. Lê Văn Tán

TRƢỞNG KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Văn Cƣờng


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới thầy PGS.TS. Lê Văn
Tán - ngƣời Thầy đã ln ân cần tận tình chỉ ảo và giúp đỡ em hết mình trong quá
trình em thực hiện luận văn.
Em xin gửi lời tri ân đến các thầy cơ trong khoa Hóa đã truyền đạt cho em những
kiến thức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại trƣờng, làm hành trang cho
cuộc sống, công việc cũng nhƣ kiến thức để em hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến ngƣời anh, ngƣời đồng nghiệp - ThS. Nguyễn
Hoàng Quý đã hỗ trợ hết mình trong quãng thời gian em thực hiện đề tài. Chân
thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp phịng Cơng nghiệp Tài ngun, phịng
Nghiên cứu triển khai, phịng Phân tích Mơi trƣờng Trung tâm dịch vụ phân tích thí
nghiệm Tp. Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện tốt nh t để em đƣợc học tập và hoàn
thành nghiên cứu với kết quả tốt nh t.
Học viên

Phan Thanh Long

i


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Vật liệu magnesium silicate vơ định hình đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu ởi những ứng dụng rộng rãi của chúng nhƣ: làm ch t hỗ trợ xúc tác,
phụ gia trong sản xu t sơn,… đặc iệt là khả năng h p phụ, vì chúng có diện tích ề
mặt riêng cực cao kết hợp với thể tích lỗ xốp lớn và đồng đều. Với mục tiêu khả
năng h p phụ đồng thời các kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc, vật liệu
magnesium silicate vơ định hình đƣợc tổng hợp ằng phƣơng pháp kết tủa, trong đó
các yếu tố ảnh hƣởng đƣợc tối ƣu hóa ằng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm
theo mơ hình trực giao ậc 2 của Box – Wilson. Đặc trƣng của vật liệu tối ƣu đƣợc
xác định ằng các phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại (FTIR), định tính thành phần nguyên tố (XRF), phân tích nhiệt (TG ), quang phổ phát
xạ nguyên tử.
Vật liệu tổng hợp đƣợc có diện tích ề mặt riêng theo BET đạt 454m 2/g, thể tích lỗ
xốp đạt 0,325cc/g kích thƣớc hạt trung ình đạt 116µm, với độ h p phụ đồng thời
các ion Cd, P , s trong nền mẫu nƣớc ô nhiễm nhân tạo đạt 4,76mg/1g vật liệu tại
điều kiện tối ƣu. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu thăm dị cũng cho th y magnesium
silicate vơ định hình cịn có khả năng h p phụ tốt các ion kim loại chuyển tiếp khác
nhƣ: Fe, Cu, Zn, Cr,. trong một số nền mẫu nƣớc ô nhiễm kim loại khác. Do đó,
magnesium silicate vơ định hình là một vật liệu h p phụ tiềm năng trong việc xử lý
các nguồn nƣớc ô nhiễm kim loại nặng.

ii


ABSTRACT
Amorphous magnesium silicate materials are being studied by many scientists for
its extensive applications such as supporting for catalysts, additives in the
manufacture of paints,... especially its adsorption capacity because it has a specific
surface area combined with large and uniform volume of porous holes. For the
purpose of simultaneous adsorption of heavy metals in water, the amorphous
magnesium silicate has been synthesized by precipitation method; the influencing
factors are optimized by planning method Experimental model of Box-Wilson's

orthogonality. The characterization of the optimal material was determined by Xray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), X ray
fluorescence (XRF), thermal gravimetric analysis (TGA), atomic emission
spectrometry.
Materials is synthesized, has specific surface area 454m2/g by BET, volume of
porous hole achieves 0,325cc /gram, average size of particle 116μm, with
simultaneous adsorption of Cd, Pb, As ions in the artificial contaminated water
samples reached 4,76mg/1gm of material at optimum conditions. In addition, the
research result showes that amorphous magnesium silicate is capable of adsorbing
other transition metal ions such as Fe, Cu, Zn, Cr,....In some other metal
contaminated water samples. Amorphous magnesium silicate is a promising
material for the treatment of heavy metal contaminated water.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của ản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu, các số liệu thực nghiệm, kết luận trong luận văn ―Nghiên cứu điều chế vật
liệu Magnesium silicate vơ định hình để hấp phụ kim loại nặng trong nƣớc thải
công nghiệp‖ là trung thực, khơng sao chép dƣới

t kỳ hình thức nào. Việc tham

khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu
tham khảo đúng quy định.
Học viên

Phan Thanh Long

iv

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
D NH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... viii
D NH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................x
D NH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... xii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Đặt v n đề .............................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2
4. Tính khoa học và thực tiễn ...................................................................................3
CHƢƠNG 1 TỔNG QU N .....................................................................................4
1.1 Giới thiệu vật liệu magnesium silicate .................................................................4
1.1.1 Magnesium silicate ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.2 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu magnesium silicate..................................6
1.1.2.1 Phƣơng pháp kết tủa .......................................................................................6
1.1.2.2 Phƣơng pháp nung khử nƣớc .........................................................................8
1.1.2.3 Phƣơng pháp kết tủa gel .................................................................................8
1.1.3 Các phƣơng pháp đánh đặc trƣng và độ tinh khiết...........................................9
1.1.3.1 Phƣơng pháp đo phổ hồng ngoại ...................................................................9
1.1.3.2 Phƣơng pháp xác định c u trúc ằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X .....................10
1.1.3.3 Phƣơng pháp xác định thành phần hóa học .................................................10
1.1.4 Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................................11
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc ........................................................14
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................14
1.2.2 Tình hình nhiên cứu trong nƣớc .....................................................................16
1.3 Một số v n đề về h p phụ ...................................................................................17
1.3.1 Tổng quan về h p phụ ....................................................................................17
1.3.2 Các loại vật liệu silicat h p phụ .....................................................................22

1.3.2.1 Các yêu cầu ch t h p phụ .............................................................................22
1.3.2.2 Một số ch t h p phụ thƣờng gặp ..................................................................22
v


CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM ...............................................................................25
2.1 Thiết ị và hóa ch t ............................................................................................25
2.2 Nội dung thực hiện nghiên cứu ..........................................................................25
2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu ............................................................................26
2.2.2 Khảo sát xây dựng các yếu tố ảnh hƣởng, quy hoạch thực nghiệm ...............27
2.2.2.1 Khảo sát xây dựng các yếu tố ......................................................................27
2.2.2.2 Quy hoạch thực nghiệm ...............................................................................30
2.2.3 Quy trình đánh giá đặc trƣng của vật liệu ......................................................33
2.2.3.1 Phƣơng pháp đo phổ hồng ngoại .................................................................33
2.2.3.2 Phƣơng pháp xác định c u trúc ằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X .....................33
2.2.3.3 Phƣơng pháp xác định kích thƣớc hạt ..........................................................34
2.2.3.4 Phƣơng pháp xác định diện tích ề mặt riêng, thể tích lỗ xốp của vật liệu. 34
2.2.4 Quy trình phân tích thành phần, hàm lƣợng các ngun tố trong vật liệu .....34
2.2.4.1 Xác định thành phần, hàm lƣợng các kim loại trong magnesium silicate ...34
2.2.5 Quy trình đánh giá độ h p phụ đồng thời các ion kim loại nặng trong nƣớc
thải công nghiệp của vật liệu magnesium silicate ..........................................40
2.2.5.1 Quy trình xác định hàm lƣợng kim loại trong mẫu nƣớc (EP

method

200.7)..............................................................................................................40
2.2.5.2 Thí nghiệm đánh giá khả năng h p phụ kim loại trong mẫu nƣớc c t thêm
chuẩn. .............................................................................................................41
2.2.5.3 Thí nghiệm đánh giá khả năng h p phụ kim loại trong mẫu nƣớc thải công
nghiệp ở quy mơ phịng thí nghiệm ...............................................................42

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LU N .............................................................44
3.1 Quy hoạch thực nghiệm ......................................................................................44
3.1.1 Khảo sát sự ảnh hƣởng của các yếu tố, phƣơng trình hồi quy .......................44
3.1.2 Kiểm định độ sai lệch giữa tính toán lý thuyết so với kết quả thực nghiệm ..47
3.1.3 Điều kiện tối ƣu của quá trình tổng hợp .........................................................49
3.2 C u trúc đặc trƣng, độ tinh khiết của vật liệu .....................................................52
3.2.1 Phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) .................................................................52
3.2.2 Phân tích ằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................54
vi


3.2.3 Phân tích diện tích ề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của vật liệu.....................55
3.2.4 Kích thƣớc hạt ................................................................................................60
3.2.5 Độ tinh khiết và thành phần hóa học ..............................................................61
3.3 Khả năng h p phụ đồng thời các kim loại nặng trên nền mẫu thực tế ...............65
3.3.1 Khả năng h p phụ kim loại nặng trong nƣớc thải ..........................................65
3.3.2 Khả năng h p phụ đồng thời kim loại nặng trong mẫu nƣớc giếng ...............68
KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................71
TÀI LIỆU TH M KHẢO .........................................................................................73
PHỤ LỤC ..................................................................................................................75
LÝ LỊCH TRÍCH NG NG CỦ HỌC VIÊN .........................................................98

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Magnesium silicate vơ định hình .................................................................4
Hình 1.2 Sự phân ố đƣờng kính kích thƣớc hạt magnesium silicate tổng hợp ằng
phƣơng pháp kết tủa .....................................................................................5
Hình 1.3 Sự thay đổi nồng độ ion Mg2+ khi thêm dung dịch natri silciat ...................7

Hình 1.4 Quy trình tổng hợp magnesium silicate theo phƣơng pháp kết tủa .............8
Hình 1.5 Phổ FT-IR của magnesium silicate ..............................................................9
Hình 1.6 Mơ hình mơ phỏng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm c u trúc có tâm
a yếu tố .....................................................................................................12
Hình 1.7 Đồ thị h p phụ BET và Langmuir ..............................................................21
Hình 1.8 Than hoạt tính đƣợc sử dụng làm ch t h p phụ .........................................23
Hình 1.9 Đồ thị h p phụ đẳng nhiệt nitơ của than hoạt tính với lỗ xốp ....................23
Hình 1.10 Khống silicat tự nhiên và magnesium silicate tổng hợp ........................24
Hình 2.1 Sơ đồ qui trình tổng hợp vật liệu magnesium silicate vơ định hình ..........26
Hình 2.2 Giản đồ TG của magnesium silicate .......................................................29
Hình 3.1 Đồ thị iểu diễn khả năng ảnh hƣởng đồng thời của các cặp yếu tố lên độ
h p phụ của sản phẩm ................................................................................46
Hình 3.2 Đồ thị mối tƣơng quan giữa giá trị tính tốn và thực nghiệm của độ h p
phụ đồng thời các ion P , Cd, s tại các điều kiện khác nhau. .................49
Hình 3.3 Đồ thị iểu diễn điểm tối ƣu của quá trình tổng hợp vật liệu ....................50
Hình 3.4 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại của mẫu magnesium silicate tối
ƣu ...............................................................................................................52
Hình 3.5 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại: mẫu Florisil thƣơng mại,
magnesium silicate sau nung ở 650 oC, magnesium silicate tối ƣu ...........53
Hình 3.6 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của vật liệu magnesium silicate tối ƣu ..54
Hình 3.7 Diện tích ề mặt của MgSiO3 ở điều kiện tối ƣu theo BET .......................55
Hình 3.8 Thể tích lỗ xốp của sản phẩm MgSiO3 tối ƣu ............................................56
Hình 3.9 Diện tích ề mặt theo BET của MgSiO3 khi nung 650 oC .........................57
Hình 3.10 Diện tích ề mặt của Florisil thƣơng mại theo BET ................................58
viii


Hình 3.11 Thể tích lỗ xốp của sản phẩm MgSiO3 tối ƣu sau nung 650 oC ...............59
Hình 3.12 Kết quả đo kích thƣớc hạt của vật liệu tối ƣu ..........................................60
Hình 3.13 Kết quả định tính thành phần các nguyên tố trong vật liệu tối ƣu ...........61

Hình 3.14 Định lƣợng các nguyên tố ằng phƣơng pháp sắc ký ion ........................63

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thí nghiệm a yếu tố và hai mức ..............................................................12
Bảng 2.1 Kết quả khảo sát sơ ộ độ h p phụ tổng lƣợng P , Cd, s trong mẫu nƣớc
c t thêm chuẩn khi thay đổi tốc độ khu y .................................................28
Bảng 2.2 Kết quả khảo sát sơ ộ độ h p phụ tổng lƣợng P , Cd, s khi thay đổi tốc
độ dòng chảy Mg2+ vào dung dịch .............................................................29
Bảng 2.3 Kết quả khảo sát sơ ộ độ h p phụ tổng lƣợng P , Cd, s trong mẫu nƣớc
c t thêm chuẩn khi thay đổi nhiệt độ s y ...................................................30
Bảng 2.4 Vùng khảo sát của ốn yếu tố ....................................................................31
Bảng 2.5 Các khảo sát về điều kiện tổng hợp magnesium silicate theo phƣơng pháp
quy hoạch thực nghiệm ..............................................................................32
Bảng 2.6 Chƣơng trình chạy máy phân tích hàm lƣợng Silic trên thiết ị phân tích
quang phổ phát xạ plasma Perkin Elmer Optima 5300 ICP-OES .............36
Bảng 2.7 Chƣơng trình chạy máy phân tích hàm lƣợng các cation trên thiết ị phân
tích quang phổ phát xạ plasma Perkin Elmer Optima 5300 ICP-OES ......38
Bảng 3.1 Độ h p phụ tổng hàm lƣợng các ion (P , Cd,

s) ứng với từng điều kiện

khảo sát theo giá trị mã hóa .......................................................................44
Bảng 3.2 Kết quả hàm lƣợng các ion kim loại ị h p phụ trên một gam vật liệu theo
tính tốn và kết quả thực nghiệm ứng với từng điều kiện khác nhau ........47
Bảng 3.3 Kết quả thực nghiệm độ h p phụ ion kim loại nặng của vật liệu ..............51
Bảng 3.4 Kết quả đo diện tích ề mặt, thể tích lỗ xốp của vật liệu MgSiO3 tối ƣu,
sau nung và Florisil ....................................................................................59

Bảng 3.5 Kết quả hàm lƣợng các cation trong mẫu magnesium silicate tối ƣu ........62
Bảng 3.6 Hàm lƣợng các anion có trong vật liệu ở điều kiện tối ƣu ........................63
Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả định tính, định lƣợng thành phần nguyên tố ................64
Bảng 3.8 Hàm lƣợng kim loại nặng trong mẫu nƣớc thải trƣớc xử lý ......................65
Bảng 3.9 Hàm lƣợng dung dịch chuẩn thêm vào mẫu nƣớc .....................................66
Bảng 3.10 Hàm lƣợng kim loại trong mẫu nƣớc thải trƣớc khi h p phụ ..................66
x


Bảng 3.11 Hàm lƣợng kim loại trong mẫu nƣớc thải sau khi ị h p phụ .................67
Bảng 3.12 Hàm lƣợng kim loại nặng ị h p phụ trên một gam vật liệu ...................67
Bảng 3.13 Hàm lƣợng kim loại nặng trong mẫu nƣớc giếng ....................................68
Bảng 3.14 Hàm lƣợng dung dịch chuẩn thêm vào mẫu nƣớc ...................................69
Bảng 3.15 Hàm lƣợng kim loại có trong mẫu nƣớc giếng sau thêm chuẩn ..............69
Bảng 3.16 Hàm lƣợng kim loại còn lại mẫu nƣớc giếng sau khi ị h p phụ ............69
Bảng 3.17 Hàm lƣợng kim loại nặng ị h p phụ trên một gam vật liệu ...................70

xi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BET:

Phƣơng pháp đo diện tích ề mặt riêng

FT-IR: Phƣơng pháp quang phổ hồng ngoại
SEM:

Kính hiển vi điện tử quét

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
TGA:

Phƣơng pháp phân tích nhiệt

TN:

Thí nghiệm

XRD:

Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X

XRF:

Phƣơng pháp định tính thành phần nguyên tố

xii


MỞ ĐẦU

1.

Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của trình độ khoa học kỹ thuật, tình trạng ơ nhiễm kim loại
nặng trong môi trƣờng sinh thái do các hoạt động sản xu t và sinh hoạt của con
ngƣời gây ra ngày càng trở thành v n đề đáng lo ngại. Tình trạng ơ nhiễm mơi
trƣờng đang ở mức áo động cao vì hàng ngày hàng giờ một lƣợng lớn nƣớc thải

sản xu t đƣợc xả thải ra từ hàng ngàn công ty, nhà máy. Chúng hầu nhƣ không qua
xử lý mà đƣợc thải trực tiếp ra hệ thống cống rãnh, ao, hồ, sơng, ngịi hoặc có xử lý
nhƣng chƣa triệt để.
Trong số các ch t ô nhiễm gây ra ởi nƣớc thải thì ơ nhiễm kim loại nặng là nghiêm
trọng nh t. Hàm lƣợng và thành phần của chúng trong nƣớc thải thƣờng không ổn
định. Việc xả thải liên tục vào kênh rạch, ao hồ, sông suối mà không qua xử lý đã
làm cho hàm lƣợng kim loại nặng ngày một tăng dần, gây ô nhiễm nghiêm trọng
tầng nƣớc mặt, mạch nƣớc ngầm và ảnh hƣởng lớn đến sức khỏe con ngƣời.
Có nhiều phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp đã đƣợc
nghiên cứu và ứng dụng nhƣ: phƣơng pháp trao đổi ion, phƣơng pháp kết tủa,
phƣơng pháp chiết, thẩm th u ngƣợc,… nhƣng hầu hết các phƣơng pháp này không
hiệu quả, không kinh tế và thƣờng kèm theo sự ô nhiễm thứ c p. Những năm gần
đây, việc sử dụng than hoạt tính để h p phụ các kim loại trong môi trƣờng nƣớc khá
phổ iến. Tuy nhiên, than hoạt tính đang đƣợc sử dụng làm ch t h p phụ lại có giá
thành khá cao.
Do đó, việc tạo ra một vật liệu có chi phí th p, phƣơng pháp điều chế đơn giản, khả
năng h p phụ tốt và dễ dàng thƣơng mại hóa để ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nƣớc
thải công nghiệp mà không gây ô nhiễm thứ c p là nhu cầu c p thiết.
Trong số các vật liệu đang đƣợc quan tâm và nghiên cứu ởi các nhà khoa học, thì
magnesium silicate tổng hợp là một vật liệu vơ cơ, giá thành th p, thân thiện môi

1


trƣờng và có q trình tổng hợp đơn giản. Chúng đã và đang đƣợc sử dụng trong
nhiều mục đích khác nhau của các ngành công nghiệp nhƣ: làm ch t độn trong sản
xu t sơn, sản xu t cao su nhân tạo, là ch t trợ nung trong công nghệ sản xu t xi
măng, gốm sứ, ch t chống n m mốc dƣợc phẩm hay làm ch t phụ gia trong công
nghệ chế iến thực phẩm. Magnesium silicate tổng hợp có thể làm vật liệu h p phụ
r t tốt ởi vì chúng có c u trúc vơ định hình, diện tích ề mặt riêng và thể tích lỗ

xốp lớn [1]. Hiện tại, đã có một số cơng trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hƣởng
đến quá trình tổng hợp cũng nhƣ khả năng ứng dụng để h p phụ màu hữu cơ và các
ch t éo trong nƣớc thải [2] [3] [4].
Từ những v n đề trên, việc nghiên cứu điều chế vật liệu magnesium silicate có khả
năng h p phụ tốt các kim loại nặng trong nƣớc thải là nghiên cứu r t thiết thực. Nó
khơng những đáp ứng đƣợc v n đề nâng cao hiệu quả ứng dụng của sản phẩm, mà
còn giải quyết đƣợc ài tốn xử lý v n đề ơ nhiễm kim loại nặng trong mơi trƣờng
nƣớc. Điều này góp phần ảo vệ môi trƣờng và sự phát triển ền vững của đ t nƣớc.
Đó là lý do đề tài ―Nghiên cứu điều chế vật liệu magnesium silicate vơ định hình để
h p phụ kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp‖ đƣợc lựa chọn để nghiên cứu.
2.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu quy trình điều chế vật liệu magnesium silicate có c u trúc vơ định hình
với chi phí th p để tạo ra đƣợc vật liệu có khả năng h p phụ đồng thời các ion kim
loại nặng độc hại nhƣ: Pb, Cd, As có trong nƣớc từ những nguyên liệu có giá thành
th p nhƣ: natri silicat với modul 2,5 và muối Mg2+.
3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng:
Vật liệu magnesium silicate vơ định hình và khả năng h p phụ kim loại nặng trong
nƣớc thải công nghiệp.

2


Phạm vi nghiên cứu:

 Tổng hợp vật liệu magnesium silicate vơ định hình ằng phƣơng pháp kết tủa,
 Tìm điều kiện tối ƣu cho các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng h p phụ đồng thời
a kim loại nặng: Cd, P , s,
 Khảo sát độ tinh khiết, đặc trƣng của vật liệu tối ƣu,
 Khảo sát khả năng h p phụ đồng thời a ion kim loại nặng Cd, P ,

s trong nền

mẫu nƣớc thải nhiễm kim loại nặng thực tế ở quy mơ phịng thí nghiệm.
4.

Tính khoa học và thực tiễn

Vật liệu h p phụ magnesium silicate có thể tổng hợp đơn giản, giá thành th p do chi
phí phục vụ sản xu t th p, có thể ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý ô nhiễm kim
loại nặng trong mơi trƣờng nƣớc.
Các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây chủ yếu tập trung vào ứng dụng làm ch t h p
phụ éo, h p phụ màu hữu cơ hay h p phụ từng kim loại đơn lẻ trong nƣớc thải [2]
[4] [5]. Do đó, đề tài này chỉ tập trung tiến hành khảo sát và tìm điều kiện tối ƣu cho
các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình điều chế sản phẩm với mục đích có thể h p phụ
đồng thời a kim loại nặng Cd, P ,

s trong nƣớc thải cơng nghiệp. Bên cạnh đó,

khả năng h p phụ cạnh tranh các kim loại khác trong nền mẫu nƣớc thải, mẫu nƣớc
giếng cũng đƣợc khảo sát thăm dò, nhằm mở ra hƣớng nghiên cứu mới cho đề tài.
Đề tài tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu mới là sử dụng mơ hình trực giao ậc hai
của Box-Wilson để tìm điều kiện tối ƣu cho các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình
tổng hợp vật liệu magnesium silicate có tính ch t vơ định hình, có khả năng h p phụ
tốt các ion kim loại nặng.

3


CHƢƠNG 1

1.1

TỔNG QUAN

Giới thiệu vật liệu magnesium silicate

1.1.1 Magnesium silicate
Magnesium silicate là hợp ch t của magie oxit (MgO) và silic dioxit (SiO2), đƣợc
điều chế từ các muối chứa ion Mg2+ và các muối chứa gốc Si-O. Sự thay đổi lƣợng
nƣớc trong c u trúc phân tử và sự khác iệt về tỉ lệ Mg và Si dẫn đến sự hình thành
các hợp ch t khác nhau của magnesium silicate dƣới dạng tinh thể nhƣ: sepiolite
Mg4[Si2O5]3(OH)2.4H2O, Talc Mg3[Si2O5]2(OH)2, serpentine Mg3[Si2O5](OH)4 hoặc
dạng vơ định hình nhƣ: florisil, magnesol,…
 Cơng thức tổng quát: MgO.x SiO2.n H2O
 Khối lƣợng phân tử (khan nƣớc): 100,39 g
Bề mặt của magnesium silicate mang các nhóm hydroxit tự do (silanol) có khả năng
hoạt động mạnh. Chúng cung c p các lỗ trống cho các hợp ch t hữu cơ h p phụ vào
và dễ dàng tƣơng tác hóa học để trao đổi vị trí với nhiều loại nhóm thế khác nhau
nhằm thay đổi tính phân cực của ề mặt ch t h p phụ.
Magnesium silicate tổng hợp có dạng ột mịn màu trắng hay xám có ánh ạc, không
mùi, [6], phần lớn không tan trong nƣớc, axit và azơ, độ ền nhiệt cao, độ cứng từ
1 đến 1,5 theo thang Mohrs, khá trơ về mặt hóa học, chỉ cho tƣơng tác vật lí với
ch t h p phụ và khơng có hoạt tính xúc tác.

Hình 1.1 Magnesium silicate vơ định hình
4


Sự phân ố kích thƣớc hạt của magnesium silicate kết tủa từ dung dịch magie sulfat
và natri metasilicate đƣợc hiển thị trong hình 1.2, kích thƣớc hạt thu đƣợc ằng
phƣơng pháp kết tủa chủ yếu tập trung thành ốn nhóm lớn. Trong đó, hai nhóm kết
tủa ậc một có đƣờng kính 128 – 238 nm và 279 – 607 nm chiếm xác su t lớn nh t.
Tiếp đến là hai nhóm kết tủa thứ c p với đƣờng kính 1.544 – 2.108 nm và 2.878 –
3.930 nm. Độ đặc khít của magnesium silicate thu đƣợc nằm trong khoảng 161 –
215 g/dm3, phụ thuộc vào loại muối magie sử dụng và lƣợng NaOH thêm vào. [1]

Hình 1.2 Sự phân ố đƣờng kính kích thƣớc hạt magnesium silicate tổng hợp ằng
phƣơng pháp kết tủa [1]
Magnesium silicate kém tan trong nƣớc và các dung mơi thơng thƣờng. Một số ít
hợp ch t có thể hòa tan magnesium silicate nhƣ: acid hydroflouric (HF) – phản ứng
sinh ra khí ăn mịn SiF4, các ch t oxy hóa nhƣ mạnh nhƣ: F, ClF3 hay OF2.
Ứng dụng của magnesium silicate: magnesium silicate đƣợc ứng dụng r t nhiều
trong lĩnh vực sản xu t nhƣ làm thành phần chính trong các sản phẩm sơn, gốm, cao
su, gi y,… Theo các nghiên cứu đã đƣợc công ố, magnesium silicate an tồn khi
dùng làm phụ gia trong thực phẩm vì vậy trong một số sản phẩm ánh mứt có thể sử
dụng ột magnesium silicate để chống kết dính. Bên cạnh đó, do diện tích ề mặt
cao nên magnesium silicate tổng hợp đƣợc sử dụng phổ iến trong việc làm sạch
axit éo tự do, các stearoid, phospholipid, h p phụ màu và kim loại nặng. [7]
5


Ngoài ra, với khả năng hút dầu tốt, magnesium silicate cịn đƣợc sử dụng trong hóa
mỹ phẩm nhƣ son mơi, ph n phủ,... và trong dƣợc phẩm (thuốc chống động kinh, trị
khó tiêu, viêm ruột non, viêm loét dạ dày, tá tràng…). [8]

Chính vì vậy, việc sử dụng magnesium silicate làm vật liệu h p phụ đồng thời các
kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc là một hƣớng nghiên cứu có tính ứng dụng
thiết thực ởi magnesium silicate là hợp ch t phổ iến, chi phí th p và có những
thuận lợi sau:
 Điều chế dễ dàng từ nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên nhƣ tro tr u của
lúa mì [2] hay từ các muối vơ cơ Mg2+ và SiO32-,
 Không gây hại môi trƣờng, dễ dàng tái sử dụng,
 Độ tinh kiết cao, pH trung tính,
 Sử dụng đơn giản.
1.1.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu magnesium silicate
1.1.2.1 Phương pháp kết tủa
Magnesium silicate đƣợc hình thành sau khi khu y trộn, lọc rửa và s y khô kết tủa.
Đây là kết quả của phản ứng kết tủa giữa dung dịch natri silicat và dung dịch muối
Mg2+ trong nƣớc nhƣ MgSO4, MgCl2, Mg(NO3)2.
Theo I.M. El-Naggar (2007), magnesium silicate đƣợc tổng hợp ằng cách thêm từ
từ dung dịch magnesium chloride vào natri metasilicate (1:1 wt/wt), khu y liên tục
ở 60 oC. Thêm amoniac loãng vào cho đến khi kết tủa hoàn toàn. Kết tủa này đƣợc
giữ trong dung dịch gốc qua đêm sau đó đƣợc rửa vài lần với nƣớc c t. Tạp ch t
đƣợc loại ỏ ằng HNO3, rồi rửa lại ằng nƣớc c t. Kết tủa đƣợc đun trong nƣớc c t
ở 80 oC để đuổi hồn tồn các bóng khí cịn lại trong c u trúc. Sản phẩm tạo thành
đƣợc lọc và s y nhẹ ở 60 oC. [9]
Nhóm nghiên cứu của Marie Dietemanna (2013) [3] cho rằng diện tích ề mặt riêng
và thể tích lỗ xốp của magnesium silicate tạo thành phụ thuộc vào:


Tốc độ thêm muối Mg2+ vào dung dịch natri metasilicate,
6


 Tốc độ khu y trộn dung dịch phản ứng.

Kết quả của phƣơng pháp kết tủa: silicat là một hỗn hợp của các ion đơn phân tứ
diện, polyme silicat ngắn mạch thẳng hoặc vòng và ion polysilciat [1].
Khi hòa tan natri silicat trong nƣớc: sự thủy phân diễn ra mạnh mẽ theo các phản
ứng:
2Na2 SiO3 H2 O

Na2 Si2O5 2NaOH
(1.1)

Na2 SiO3 H2 O

NaHSiO3 NaOH

Khi đó anion silicat kết hợp với cation Mg2+ trong nƣớc hình thành kết tủa kém tan.
Khi hịa tan sẵn một lƣợng lớn Mg2+ trong nƣớc và thêm natri silicat vào dung dịch
này, lƣợng ion Mg2+ giảm nhanh chóng giai đoạn đầu.

Hình 1.3 Sự thay đổi nồng độ ion Mg2+ khi thêm dung dịch natri silciat [1]
Giải thích sự thình thành liên kết giữa silicat và Mg2+, Rashid, Iyad Daraghmeh và
các cộng sự đƣa ra lập luận: Khi các cation kim loại đƣợc đƣa vào dung dịch, chúng
sẽ ị h p phụ lên ề mặt của các hạt keo silica làm trung hịa điện tích ề mặt hạt
keo. Cầu nối giữa các hạt đƣợc hình thành ởi sự tham gia của các ion kết đông này,
kết quả keo silica kết tủa. [1]
7


Hình 1.4 Quy trình tổng hợp magnesium silicate theo phƣơng pháp kết tủa
1.1.2.2 Phương pháp nung khử nước
Silica vô định hình đƣợc tiến hành trộn đều với magie hydroxit. Phản ứng trung hòa
axit-bazơ pha rắn lúc này xảy ra phụ thuộc vào khả năng tiếp xúc của hai tác ch t.

Sự khử nƣớc cơ học diễn ra ởi ái lực của Mg2+ đối với nhóm hydroxit trên ề mặt
silica. Giả thuyết cho rằng sự giải phóng lƣợng nƣớc dƣ từ silica tại điểm tiếp xúc
của hai tác ch t làm tăng tính kiềm của magie hydroxit, silica tại điểm này ị hịa
tan. Kết quả hình thành kết tủa silicate vơ định hình.
Năng lƣợng liên kết giữa các nối trong phân tử magnesium silicate là: Mg-OSi4+. Hai nhóm OH- trên Si4+ kết hợp với nhau, tách nƣớc, O2- ngay sau đó sắp xếp
lại liên kết trong SiO4, tạo thành mạch Si-O.
1.1.2.3 Phương pháp kết tủa gel
Phƣơng pháp sol-gel ra đời từ những năm 1950-1960, là kỹ thuật tổng hợp hóa keo
để tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ th p. Quá trình xảy ra
trong dung dịch lỏng và các tiền ch t (các oxit hoặc các muối kim loại) thông qua
8


các phản ứng thủy phân và ngƣng tụ, sẽ dẫn đến việc hình thành pha mới gọi là solgel. Nó là hệ phân tán dị thể, các hạt pha rắn tạo thành khung ba chiều, pha lỏng
nằm ở khoảng trống của khung a chiều nói trên. Bằng phƣơng pháp sol-gel, không
những tổng hợp đƣợc các oxit siêu mịn (nhỏ hơn 10 µm), có tính đồng nh t cao, ề
mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao mà cịn có thể tổng hợp đƣợc các tinh thể
cỡ nanomet, các sản phẩm dạng màng mỏng, sợi,…
1.1.3 Các phương pháp đánh đặc trưng và độ tinh khiết
1.1.3.1 Phương pháp đo phổ hồng ngoại
Phổ hồng ngoại là phổ điện từ ở vùng hồng ngoại, có ƣớc sóng ánh sáng dài và tần
số dao động é, thƣờng sử dụng để xác định nhóm chức có trong cơng thức hóa học
của các ch t. Nghiên cứu về c u trúc của magnesium silicate, phổ FT-IR đƣợc ghi
nhận tại vùng có số sóng 4.000 – 400 cm-1 (hình 1.5).

Hình 1.5 Phổ FT-IR của magnesium silicate

9