intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:103

77
lượt xem
13
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu chứa sắt kích nano; nghiên cứu ứng dụng của vật liệu chế tạo được trong xử lý một số chất ô nhiễm phổ biến trong môi trường nước.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng dụng trong xử lý nước

  1. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin cảm  ơn Khoa Môi Trường ­Trường Đại học khoa   học tự nhiên Hà Nội  đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá   trình học tập và nghiên cứu.  Trong quá trình thí nghiệm cho luận văn của mình, tôi đã nhận được   sự  giúp đỡ  của các anh chị  quản lý phòng thí nghiệm và các thầy cô của   Bộ  môn Công nghệ  môi trường – Khoa Môi trường, Trung tâm Khoa học   Vật liệu – Khoa Vật lý – Đại học Khoa học Tự  nhiên và anh Phạm Văn   Lâm – Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ   tôi trong quá trình làm thực nghiệm luận văn. Tôi cũng cảm  ơn các sinh viên trong nhóm thực hiện đề  tài đã luôn   tận tình hỗ trợ tôi thực hiện đề tài này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm  ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn   Thị  Hà, người đã giúp tôi định hướng nghiên cứu,   xây dựng ý tưởng và   hướng dẫn tôi rất tận tình trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm  ơn gia đình thân yêu của tôi. Tất   cả các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên tôi suốt chặng đường tôi đi, động   viên và hỗ trợ tôi giúp đỡ tôi để hoàn thành bản luận văn này. Học viên Ngô Ngọc Thư Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 1 ­
  2. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAS Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử BVTV Bảo vệ thực vật CB Clobenzen DDT Dichloro­diphenyl­trichloroethane ĐK Điều kiện Tổ chức Nông lương Liên Hợp  FAO Quốc EDTA Axít etilendiamintetrainxetic  HCBVTV Hợp chất bảo vệ thực vật RCl Hợp chất cơ clo vòng thơm OCP Hợp chất thuốc trừ sâu cơ clo  PCB Hợp chất polyclobiphenyl Hợp chất hữu cơ bền vững khó  POP phân hủy  SEM Scanning Electron Microscope TEM Transmission Electron Microscope UV­VIS Ultraviolet–visible spectroscopy WHO Tổ chức y tế thế giới Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 2 ­
  3. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư MỤC LỤC MỞ ĐẦU  8 Chương 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 10 1.1 Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano 10 1.1.1. Đặc điểm của vật liệu nano 10 1.1.2. Khái quát các phương pháp chế  tạo vật liệu sắt kích thước   12 nano 1.2. Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi  trường nước 15 1.2.1. Ứng dụng xử lý nitrat 15 1.2.2. Ứng dụng xử lý hợp chất clo hữu cơ 24 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 Đối tượng nghiên cứu 46 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1. Phương pháp tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano 49 2.2.2. Ứng dụng vật liệu trong xử lý nitrat 54 2.2.3. Ứng dụng vật liệu trong xử lý hợp chất clo hữu cơ  58 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 63 3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu 63 3.1.1 Kết quả  nghiên cứu chế  tạo vật liệu không bổ  sung chất hoạt   hóa bề mặt 63 3.1.2 Kết quả phân tích đặc tính vật liệu 64 3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý nitrat của vật liệu  68 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn phân tích nitrat, nitrit và amoni 68 3.2.2 Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý 70 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 3 ­
  4. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư 3.2.3. Kết quả khảo sát sản phẩm của quá trình khử 72 3.3. Khả năng xử lý hợp chất clo hữu cơ vòng thơm của vật liệu  74 3.3.1.  Kết quả xây dựng đường chuẩn phân tích clobenzen 75 3.3.2.  Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý 75 3.3.3. Khảo sát sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý 84 3.3.4. Xác định khả năng hấp phụ của hợp chất FeOOH   86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 95 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 4 ­
  5. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Trang Bảng 1.  Hàm lượng sắt trong các mẫu vật liệu chế tạo 67 Bảng 2 : Sự thay đổi nồng độ nitrat theo thời gian ở các pH khác  70 nhau  (C0 = 100mg/l; [Fe] = 0,033mg/ml; pH = 4, 5, 6)                   Bảng 3.Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ CB 77 Bảng 4. Ảnh hưởng của  nồng độ  của EDTA   78 Bảng 5. Ảnh hưởng của pH tới sự  suy giảm hàm lượng CB 80 Bảng 6. Ảnh hưởng của kích thước bột sắt 82 Bảng 7. Ảnh hưởng của  hàm lượng bột sắt 84  Bảng 8. Ảnh hưởng của  hàm lượng CB 85 Bảng 9:Bảng so sánh hàm lượng CB còn lại và hàm lượng COD còn  86 lạ i Bảng 10. Khả năng hấp phụ CB của FeOOH   89 Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 5 ­
  6. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1: Quá trình thẩm thấu 21 Hình 2: Quá trình thẩm thấu ngược 21 Hình 3 : Quá trình điện thẩm tách 22 Hình 4  Dải phân bố tần số sóng âm 24 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điện hóa 25 Hình 6. Một số hợp chất thuốc trừ sâu cơ clo phổ biến 29 Hình 7. Cấu tạo của các hợp chất polyclobiphenyl 30 Hình 8. Sự hấp thụ, phân bố, tích lũy, trao đổi chất và đào thải của   32 một số hóa chất trong cơ thể sinh vật [5] Hình 9.  Sắt tham gia vào quá trình khử các hợp chất  clo hữu cơ 45 Hình 10. Sơ đồ sắt (Fe(II)) tham gia vào quá trình khử  45 Hình 11. Sơ đồ sắt và hydro tham gia vào quá trình khử  46 Hình 12. Phân tử clobenzen 48 Hình 13: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu 51 Hình 14. Phổ tử ngoại của dung dịch clobenzen 59 Hình 15: Sắc đồ của một chất 60 Hình 16. Kết quả chụp SEM mẫu vật liệu không bổ sung chất hoạt  hóa bề mặt 63  Hình 17: Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu chế tạo 64 Hình 18. Kết quả chụp TEM mẫu vật liệu bổ sung chất hoạt  65 Hình 19.  Kết quả đo đường cong từ hóa mẫu vật liệu chế tạo 66 Hình 20. Vật liệu sắt kích thước nano chế tạo 67 Hình 21. Đường chuẩn phân tích  NH4+; NO2­ và NO3­ 69 Hình 22.  Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nitrat    71 Hình 23.  Ảnh hưởng của hàm lượng Fe0 đến hiệu quả xử lý nitrat  (C0  72 = 100mg/l; pH=3,5­4,5) Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 6 ­
  7. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Hình 24. Ảnh hưởng của nồng độ nitrat ban đầu (Fe0=1g/l; pH=4) 73 (C0= 100mg/l; [Fe] = 0.033g/l) Hình 25.  Cân bằng khối lượng các dạng tồn tại của N trong  dung dịch  74 (Co=100mg/l; Fe=1g/l; pH=4) Hình 26.  Cân bằng nitơ tại pH=6 75 Hình 27. Đồ thị đường chuẩn của clobenzen 77 Hình 28.  Ảnh hưởng của EDTA đến khả năng xử lý của vật liệu 78 Hình 29.  Sự phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại trong dung dịch  79 theo nồng độ EDTA (sau 2 giờ phản ứng) Hình 30: Ảnh hưởng của pH tới sự  suy giảm hàm lượng CB  80 Hình 31. Sự phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại trong dung dịch  81 theo pH(sau 2 giờ phản ứng) Hình 32. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu 83 Hình 33. Sự  phụ thuộc của hàm lượng CB còn lại trong dung dịch   83 kích thước vật liệu (sau 2 giờ phản ứng) Hình 34. Sự  phụ  thuộc của hàm lượng CB còn lại vào lượng vật   84 liệu cho vào Hình 35: Ảnh hưởng của  hàm lượng CB ban đầu đến hiệu suất xử   86 lý(sau 2 giờ) Hình 36: Bảng so sánh hiệu suất xử lý CB và COD (sau 2 giờ) 87 Hình 37.  So sánh hàm lượng CB (sau 2 giờ phản ứng) ở 3 pH khác  89 nhau Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 7 ­
  8. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư MỞ ĐẦU Quá trình  hội nhập mới của Việt Nam (1995) đã tạo sự tăng trưởng  kinh tế  liên tục đạt trên 7% và trong tốp 10 quốc gia có tốc độ  phát triển  kinh tế  nhanh nhất thế  giới. Hội nhập đã mang tới cho Việt Nam một cơ  hội lớn để  phát triển, vươn mình mạnh mẽ, xây dựng một diện mạo mới  cho đất nước ­  đưa đất nước thoát khỏi phụ thuộc và đang dần khẳng định   vị thế của mình trên trường quốc tế.  Nhưng kèm theo đó, cũng trong hơn chục năm qua, Việt Nam phải   đối mặt với những tác động môi trường và mối đe dọa về  suy giảm môi  trường chưa từng có. Ô nhiễm nước mặt, nước ngầm, không khí, đất khắp   nơi và tốc độ  suy giảm các nguồn tài nguyên, suy giảm đa dạng sinh học  đang gia tăng là hệ  quả  của việc phát triển mà không tính tới các lợi ích  môi trường. Trong đó, ô nhiễm môi trường nước là vấn đề đang được đặc   biệt quan tâm vì liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sinh hoạt  của cộng đồng. Vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường nước hiện là vấn đề hết   sức quan trọng để  đảm bảo nguồn nước sạch cho sinh hoạt và các hoạt   động sản xuất.  Một trong các loại chất gây ô nhiễm nguồn nước khá phổ  biến do  các hoạt động sản xuất của con người tạo ra đó là nitrat và các hợp chất   clo hữu cơ… Đây là các chất ô nhiễm có tác động có hại đến môi trường   sinh thái, các động thực vật và sức khỏe của con người. Đã có nhiều công   nghệ  xử  lý các chất ô nhiễm này được nghiên cứu và  ứng dụng thực tế.   Hiện nay, công nghệ  mới đang được rất nhiều nhà  khoa học trong nước   cũng như  trên thế  giới quan tâm nghiên cứu là công nghệ  nano – Sử dụng  vật liệu có kích thước nano để tăng hiệu quả của quá trình. Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 8 ­
  9. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Vì vậy, trong luận văn này đã chọn đề tài nghiên cứu là:     “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu chứa sắt kích thước nano ứng  dụng trong xử lý nước”. Phương pháp xử  lý một số  chất ô nhiễm nitrat và các hợp chất clo  hữu cơ… bằng vật liệu sắt kích thước nano là một phương pháp mới đã   được áp dụng  ở  một số  nước trên thế  giới. Đây là một phương pháp mới  thân thiện với môi trường, phương pháp sử dụng sắt là một chất ít độc hại,  nó biến đổi hợp chất ô nhiễm, độc hại thành các hợp chất ít độc hại hơn  với môi trường. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu: ­ Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu chứa sắt kích nano; ­ Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu chế tạo được trong xử lý một   số chất ô nhiễm phổ biến trong môi trường nước: + Nghiên cứu  ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho   việc xử lý nitrat trong nước; + Nghiên cứu  ứng dụng của vật liệu chứa sắt kích thước nano  cho việc xử lý các hợp chất clo hữu cơ (clo benzen) trong môi trường  nước; Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 9 ­
  10. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Chương 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1.Tổng quan về vật liệu chứa sắt kích thước nano 1.1.1. Đặc điểm của vật liệu nano Công nghệ nano là: “ngành công nghệ liên quan tới việc thiết kế, phân  tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều  khiển hình dáng kích thước trên quy mô nano mét” Theo sáng kiến quốc gia về  khoa học và công nghệ  nano (National  Nanotechnology Initiative­ NNI) của Mỹ, công nghệ nano phải bao gồm các  lĩnh vực sau: - Nghiên cứu và phát triển ở công nghệ cấp độ nano với kích thước từ  1 tới 100nm. - Tạo ra các cấu trúc, thiết bị, hệ  thống có các đặc tính và chức năng   mới do kích thước nhỏ của chúng. Vật liệu nano là vật liệu mà trong cấu trúc thành phần cấu tạo nên nó  ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomét. Vật liệu nano có thể  tồn tại  ở  3 trạng thái: rắn, lỏng, khí. Trong đó   vật liệu rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đó đến vật  liệu lỏng và khí. Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại dựa trên hình dạng: ­ Vật liệu nano ba chiều (hay vật liệu nano không chiều): cả  3 chiều  có kích thước nanomet.VD: hạt nano, đám nano… ­ Vật liệu nano hai chiều: vật liệu có 2 chiều có kích thước nano. VD:   màng nano… Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 10 ­
  11. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư ­ Vật liệu nano mét chiều: chỉ  có duy nhất 1 chiều có kích thước   nanomet. VD: ống nano, dây nano… ­ Vật liệu nano composite. * Đặc điểm và tính chất Một đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô cùng   nhỏ  bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 1­2 bậc. Do vậy, số nguyên   tử nằm trên bề mặt của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu  có kích thước lớn hơn. Như vậy nếu như  ở vậy  ở các vật liệu thông thường chỉ có một số ít  nguyên tử nằm trên lớp bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử nằm phía sâu  bờn trong, bị  các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc vật liệu nano tăng  lên rất nhiều so với vật liệu thông thường. Nói cách khác, ở các vật liệu có   kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự  do thể hiện toàn bé tính chất  của mình tương tác với môi trường xung quanh. Điều này làm xuất hiện ở  vật liệu nano nhiều tính đặc trưng nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện,   quang, từ, xúc tác… Vật liệu nano có 3 hiệu ứng: - Hiệu ứng lượng tử. Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng  tử  được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử  (1  #m3  có khoảng 1012  nguyên tử) và có thể  bỏ  qua các  thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu  trúc nano có ít nguyên tử  hơn thì các tính chất lượng tử  thể  hiện rõ ràng  hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó   có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. - Hiệu ứng bề mặt. Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 11 ­
  12. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Khi vật liệu có kích thước nm, các số  nguyên tử nằm trên bề  mặt sẽ  chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có  liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm  cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu  ở dạng khối - Hiệu ứng kích thước. Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về  kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ  hơn kích thước này thì tính chất của nó   hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano  có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích  thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ  điện trở  của một kim  loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu  ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ  hơn quãng đường tự  do trung  bình của điện tử  trong kim loại, mà thường có giá trị  từ  vài đến vài trăm  nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích  thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu  nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính  chất mà nó được nghiên cứu. Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và  các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. 1.1.2. Khái quát các phương pháp chế tạo vật liệu sắt kích thước nano       a) Phương pháp nghiền  Phương pháp nghiền sử  dụng kỹ  thuật mài cơ  khí thông thường để  phá vỡ  các hạt kim loại có kích thước lớn thành các hạt có kích thước   Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 12 ­
  13. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư micro hoặc nano. Sự  va chạm của các hạt hình cầu có thể  phá vỡ  kích  thước của các hạt riêng biệt xuống còn vài nm và dẫn đến sự  biến dạng,   bẻ  gẫy và nối lại của chúng.  Khi nghiền, người ta thường sử  dụng chất  hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh  các hạt kết tụ  với nhau. Phương pháp nghiền có  ưu điểm là đơn giản và   chế  tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Nhược điểm của phương pháp  này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế  quá trình hình thành hạt [3]      b) Phương pháp vi nhũ tương (RM) RM là một phương pháp rất phù hợp để chế tạo vật liệu nano với sự  phân bố kích thước chặt chẽ và hình thái đồng nhất cao. Trong nghiên cứu  của mình Carpenter [16] đã sử  dụng hệ  RM của cetyltrimethyl ammonium   bromide, octane, n­butanol, và các chất phản  ứng trong dung dịch để  khử  sắt sunfat bằng natri borohidrit (NaBH 4). Bằng cách phủ  một lớp mỏng  vàng, những hạt sắt nano có thể  được bảo vệ  khỏi sự  oxi hóa. Hạt nano  thu được có đường kính 7nm và được bọc bởi một lớp vàng 1nm.  Li và các cộng sự [16] đã sử  dụng một hệ tương tự và thu được các  hạt sắt nano có dạng gần hình cầu với đường kính nhỏ  hơn 10 nm. Các  nghiên cứu khác [25­27] trên vật liệu Fe­Au nano cho thấy có thể thu được  các hạt nano với nhân vàng 3 nm, một lớp sắt 1 nm và lớp phủ  vàng 2 nm   bằng phương pháp vi nhũ tương.       c) Đ     ồng kết tủa hóa học   Một   chất   kết   tủa   phù   hợp   được   thêm   vào   dung   dịch   trong   một  khoảng pH xác định để  đạt được sự  đồng kết tủa hóa học có kiểm soát.  Sau đó sẽ  nhận  được vật liệu nano bằng cách già hóa, lọc, rửa, làm khô,   Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 13 ­
  14. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư và phân hủy các tiền chất rất nhỏ thu được. Các chất kết tủa thường được  sử dụng gồm NaHCO3, Na2CO3, (NH4)2CO3, NaOH và NH3. Liu và các cộng  sự [15] đã sử dụng phương pháp này để chế tạo hạt oxit sắt nano với kích  thước trung bình nhỏ hơn 5nm.         d) Phương pháp điện hóa  Các nghiên cứu gần đây cho thấy các vật liệu nano chứa sắt có thể  tổng hợp bằng phương pháp điện hóa. Chen [19] đã sử  dụng anode sắt và  cathode   Ti   trơ   để   chế   tạo   sắt   nano.   Dung   dịch   điện   ly   chứa   50g/l  (NH4)2Fe(SO4)2, 20g/l muối trinatri axit citric, 10g/l axit citric và 40g/l axit   boric. Nhiệt độ  của bể  phản  ứng là 303K. Dòng điện với độ  rộng xung  ngắn được sử  dụng để  điều chỉnh kích thước hạt. Kết quả  cho thấy hạt   nano chế tạo được có kích thước trung bình là 19nm và độ ổn nhiệt lên tới  550K.          e) Khử pha lỏng Ý tưởng cơ bản của phương pháp khử pha lỏng (hay khử borohydride)   là thêm một chất khử  mạnh vào một dung dịch ion kim loại để  khử  nó  thành các hạt kim loại có kích thước nano. Phương pháp này đã được sử  dụng để chế  tạo các hạt sắt kích thước nano trong nghiên cứu của Glavee  và các cộng sự  [5] đầu năm 1995. Các hạt sắt tổng hợp theo phương pháp  này được gọi là FeBH. Do sự đơn giản cũng như hiệu suất của phương pháp   khử pha lỏng, nó đã trở thành phương pháp được biết đến nhiều nhất và sử  dụng rộng rãi nhất để  chế  tạo sắt nano trong các  ứng dụng môi trường.   Chất khử  được sử  dụng phổ  biến nhất là NaBH4. Các dung dịch của sắt  được sử dụng là sắt(III)  clorit (FeCl3.6H2O) và sắt(II) sunfat(FeSO4.7H2O).  Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 14 ­
  15. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Trong nghiên cứu của mình, Zhang [25­27] đã báo cáo rằng các hạt   nano tạo ra có kích thước trung bình là 60,2nm. Phần lớn các hạt (>80%) có  đường kính nhỏ hơn 100 nm, với 30% có đường kính nhỏ hơn 50nm. Diện   tích bề mặt riêng trung bình của vật liệu khoảng 35m2/g. Choe và các cộng  sự [5] chế tạo được vật liệu có kích thước trong khoảng 1­100nm và diện  tích bề  mặt riêng 31,4m2/g. Các hạt nano thu được trong nghiên cứu của  Ruangchainikom nằm trong khoảng 10­100nm, với diện tích bề  mặt riêng  là 24,4­37,2m2/g.          f) Khử pha khí Một loại sắt nano thương phẩm được biết đến với tên gọi RNIP (Toda  Kogyo Corp., Schaumberg, IL), sử  dụng rộng rãi trong các  ứng dụng môi  trường được tổng hợp bằng phương pháp khử  pha khí. RNIP (hay còn gọi  là FeH2) được sản xuất từ phương pháp khử hematite hoặc goethite bằng H2  ở nhiệt độ  cao (350­6000C). Sau khi làm lạnh và chuyển hạt sắt vào nước   dưới dạng khí, một lớp vỏ  bị  oxi hóa hình thành trên bề  mặt hạt. Sau khi  được làm khô, vật liệu nano sắt đã sẵn sàng để  khử  các hợp chất hữu cơ  chứa halogen hoặc kim loại nặng. RNIP được biết đến như  một vật liệu  hai pha gồm Fe3O4 và  α­FeO. Vật liệu tổng hợp được có kích thước trung  bình 50­300nm và diện tích bề  mặt riêng 7­55m2/g. Hàm lượng Fe thường  không nhỏ hơn 65% (theo khối lượng).     1.2. Ứng dụng vật liệu chứa sắt kích thước nano cho xử lý môi trường  nước 1.2.1. Ứng dụng xử lý nitrat a> Khái quát về vấn đề ô nhiễm của nitrat, nitrit trong nước Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 15 ­
  16. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư ­ Nguồn phát sinh nitrat:   Nitrat là một oxit tồn tại trong tự nhiên của  nitơ. Nitơ có mặt trong không khí và nó phản ứng với oxi và ozon để tạo ra   các oxit nitơ, trong đó có nitrat. Sự  oxi hóa nitơ  cũng xảy ra trong các hệ  thống sinh học đang sinh trưởng hoặc phân hủy. Các oxit nitơ cũng có mặt  trong khói ở những lượng đáng kể. Nitrat là một thành phần thiết yếu của  các vật sống và là thành phần chính của phân động vật, các loại chất thải   sinh hoạt của người và phân bón thương phẩm. Nitrat và nitrit đã được sử  dụng hàng thế kỷ nay như phân bón, dùng trong chất nổ, và chất bảo quản   thực phẩm, đặc biệt là các loại thịt có màu đỏ. Nitrat được  ứng dụng rất  nhiều trong đời sống và sự  có mặt của nitrat trong môi trường là rất phổ  biến và cần thiết.  ­ Sự chuyển hóa của nitrat trong môi trường: + Sự có mặt của nitrat trong nước có nguồn gốc từ phân bón hóa học,  chất thải của người và động vật, chất thải công nghiệp và chất thải từ  ngành chế  biến thực phẩm. Nitrat được hình thành bởi các vi sinh vật có   trong một số  loại cây, chúng chuyển nitơ  trong khí quyển thành nitrat. Nó  cũng có thể  được tìm thấy trong một số  hệ  thống địa chất, và là kết quả  của sự thối rữa các chất hữu cơ.  + Phân động vật, xác các loại thực vật là nguồn cung cấp nitơ  hữu  cơ  cho đất. Nitơ  hữu cơ  sẽ  bị  chuyển hóa thành N­NH 4+ là dạng mà sinh  vật có thể sử dụng được (quá trình amôn hóa). Sau đó, NH4+ sẽ tiếp tục bị  vi khuẩn oxi hóa thành NO3­ (quá trình nitrat hóa). Một phần nitrat sẽ được  cây hấp thu, một phần sẽ bị các vi khuẩn phản nitrat chuyển hóa thành N2,  N2O đi vào khí quyển (quá trình phản nitrat), một phần sẽ   được các vi  Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 16 ­
  17. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư khuẩn cố định nitơ chuyển hóa trở lại thành nitơ hữu cơ trong đất (cố định  nitơ) và một phần nitrat xâm nhập vào các thủy vực [5] b> Những ảnh hưởng của nitrat tới môi trường và sức khỏe ­  Những ảnh hưởng của nitrat tới sức khỏe [3]: + Độc tính của nitrat chủ yếu là do sự chuyển hóa của nó thành nitrit,  nitrit sẽ oxi hóa dạng Fe2+ trong hemoglobin thành dạng Fe3+. Hợp chất này  (methemoglobin) không kết hợp với oxi, làm giảm sự  vận chuyển oxi từ  phổi đến các mô. Một người bình thường có hàm lượng methemoglobin  thấp, thường nằm trong khoảng từ 0,5­2% (NAS, 1981). Tuy nhiên, do khả  năng   vận   chuyển   oxi   vượt   trội   của   máu,   lượng   methemoglobin   lên   tới   khoảng 10% cũng không cho thấy bất kỳ  dấu hiệu bệnh lý nào đáng kể.  Nồng độ trên 10% có thể làm cho da và môi bị xanh tím, nồng độ  trên 25%   sẽ   dẫn   tới   sự   mệt   mỏi,   thở   nhanh   và    tim   đập   mạnh.   Nồng   độ  methemoglobin ở mức 50­60% có thể dẫn tới tử vong. + Sự chuyển hóa nitrat thành nitrit trong hệ thống dạ dày diễn ra chủ  yếu nhờ vi khuẩn. Vì vậy, nguy cơ về methemoglobin do sự hấp thu nitrat  của cơ thể không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng nitrat hấp thu, mà còn phụ  thuộc vào số  lượng và dạng vi khuẩn đi vào cơ  thể.  Ở  một người trưởng   thành khỏe mạnh, khoảng 5% lượng nitrat chuyển thành nitrit bởi các vi  khuẩn trong miệng (NAS, 1981). Sự chuyển hoá nitrat thành nitrit cũng xảy  ra trong dạ dày nếu pH của dịch vị đủ cao (khoảng pH>5) cho sự phát triển   của vi khuẩn. Đây là điều đáng quan tâm vì  ở  người lớn có thể  xảy ra   những bệnh như thiếu axit dịch vị hoặc viêm dạ  dày. Đối với trẻ  sơ  sinh,   nếu dư thừa methemoglobin trẻ  sẽ xanh xao, tím tái hoặc lịm đi tuỳ  thuộc  vào hàm lượng methemoglobin trong cơ  thể, hiện tượng này gọi là “triệu  Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 17 ­
  18. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư chứng trẻ xanh”. Vì dạ dày của trẻ sơ sinh thường có pH cao, thích hợp với  sự  phát triển của vi khuẩn chuyển hóa nitrat. Mặt khác, trẻ  sơ  sinh rất dễ  bị dư thừa methemoglobin do cơ thể chúng thiếu loại enzym có thể chuyển   hóa methemoglobin thành hemoglobin. Vì vậy, trẻ  sơ  sinh (đặc biệt từ  0­3  tháng tuổi) thường được coi là diện dễ bị tổn thương nhất với sự dư thừa   methemoglobin do nitrat gây ra.  + Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu cho thấy sự gia tăng đáng kể  nguy cơ mắc các dị tật bẩm sinh  ở trẻ em và phụ  nữ dùng nước ngầm (5­ 15   mg/l   nitrat)   so   với   những   phụ   nữ   dùng   nước   mưa   (
  19. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư + Do môi trường nước có chứa các chất dinh dưỡng N và P làm cho  thực vật phù du phát triển mạnh, tăng sinh khối, đặc biệt là tảo que, tảo   xanh hoa và nhiều loại tảo độc khác. Hàm lượng chất diệp lục cũng tăng  lên đáng kể và bị thối rữa, phân hủy dẫn đến làm giảm nghiêm trọng hàm  lượng oxi hòa tan trong nước, một yếu tố cơ bản của quá trình tự làm sạch  của môi trường nước, đặc biệt là ở những nơi có độ  sâu đáng kể. Sự phân  hủy của tảo là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự  thiếu oxi  nghiêm trọng trong nước. Quá trình này xảy ra theo phương trình: (CH2O)106(NH3)16H3PO4  +  138O2      106CO2 + 122H2O + 16HNO3 +  H3PO4                       (*) (Với thực vật phù du, một phân tử có thể mô tả bằng công thức (*)) + Từ  phản  ứng này ta thấy, cứ  1 phân tử  thực vật phù du sử  dụng   276 nguyên tử  oxi để  tiến hành phản  ứng phân hủy và giải phóng một   lượng đáng kể axit và CO2 vào nguồn nước làm giảm pH của nước, nước   bị nhiễm bẩn và có mùi hôi thối, cá chết hàng loạt. + Phú dưỡng tạo ra những biến đổi lớn trong hệ sinh thái nước, làm  giảm oxi trong nước do đó làm chất lượng nước bị suy giảm và ô nhiễm. c> Một số phương pháp xử lý nitrat Hiện nay có một số phương pháp được áp dụng để xử lý nitrat trong  nước, bao gồm: Trao đổi ion; thẩm thấu ngược; điện thẩm tách; phương   pháp sinh học 1.  Phương pháp trao đổi ion:  Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 19 ­
  20. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngô Ngọc Thư Trao đổi ion là quá trình xử lý nước bằng phản  ứng trao đổi giữa các   ion trên pha rắn (chất trao đổi ion) với các ion cùng dấu trong pha lỏng   (nước cần xử lý) như vậy hệ trao đổi ion có hai thành phần: chất trao đổi   ion  và  chất   lỏng  chứa   ion  cần   trao   đổi.   Về   bản   chất  đây   là   quá  trình  chuyển các ion từ pha phân tán là nước lên pha tĩnh là chất trao đổi ion. Vật liệu trao đổi ion phổ  biến nhất là nhựa trao đổi ion. Nhìn chung   nhựa trao đổi ion được  ứng dụng dưới dạng cột lọc, nhồi các hạt nhựa  đến độ  cao nào đó, khi nước cần xử  lý chảy qua sẽ  xảy ra quá trình trao  đổi ion giữa pha tĩnh (lớp nhựa trao đổi ion) và pha động (nước cần xử lý)   [16] Nghiên cứu sử dụng nhựa trao đổi ion chọn lọc nitrat Purolite A 520E   được  tiến  hành   với  hàm  lượng   NO3­  là    5,  20,  40,  60,  80,  100,  150  và  200mg/l, lượng nhựa trao đổi ion là 0,01­0,5g. Các thí nghiệm giải hấp  được tiến hành với dung dịch NaCl ở các nồng độ  0,05; 0,1; 0,25; 0,4; 0,5;  0,6M. Tất cả  các thí nghiệm đều tiến hành trong 24h  ở  30 0C . Các nghiên  cứu động học cho thấy sự  hấp phụ  nitrat của Purolite A 520E tuân theo   định luật Langmuir và Dubinin – Radushkevich, dung lượng hấp phụ  cực   đại tính theo định luật Langmuir là 81,97mg NO3­/g nhựa. Hiệu quả  hấp  phụ đạt cực đại 81% với hàm lượng nhựa là 0,3g/l và nồng độ  tối ưu của  NaCl trong quá trình giải hấp là 0,6M.  2.  Phương pháp thẩm thấu ngược (RO): Thẩm thấu ngược tuân theo nguyên tắc của thẩm thấu. Giữa hai   dung dịch nồng độ khác nhau của những chất hòa tan trong dung dịch sẽ có  một màng ngăn cách. Màng cho phép một số  hợp chất như  nước đi qua,  nhưng không cho những hợp chất lớn hơn đi qua (màng bán thấm) . Đối  Ngành Khoa học môi trường khóa 2008 – 2010        ­ 20 ­
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
7=>1