Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật chất: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của đề tài là chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên. Nghiên cứu cấu trúc, hình thái học, diện tích bề mặt riêng của vật liệu bằng các phương pháp vật lý hiện đại như X-ray, BET, SEM... Đánh giá được khả năng hấp phụ một số hợp chất hữu cơ như metylen xanh, metyl da cam của các vật liệu chế tạo được. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật chất: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  NGUYỄN THỊ THƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮT TRẠI CAU – THÁI NGUYÊN VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  NGUYỄN THỊ THƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ QUẶNG SẮT TRẠI CAU – THÁI NGUYÊN VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYLEN XANH, METYL DA CAM CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60 44 01 13 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu Thái Nguyên - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Thƣơng Xác nhận Xác nhận Của trưởng khoa chuyên môn của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan TS. Vũ Thị Hậu i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu.. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015 ii
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ................................................................................................................ i Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii Mục lục ...................................................................................................................... iii Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................. iv Danh mục bảng biểu.................................................................................................... v Danh mục các hình ..................................................................................................... vi Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu ................................................................... 3 1.1.1. Phương pháp thủy nhiệt .................................................................................... 3 1.1.2. Phương pháp kết tủa .......................................................................................... 4 1.1.3. Phương pháp sol-gel.......................................................................................... 5 1.1.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy........................................................................ 6 1.1.5. Phương pháp gốm truyền thống ....................................................................... 7 1.1.6. Phương pháp phóng điện hồ quang ................................................................... 8 1.1.7. Phương pháp ngưng đọng pha hơi ................................................................... 8 1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ..................................................................... 8 1.2.1.Các khái niệm ..................................................................................................... 9 1.2.2. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt .................................................................... 12 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ .................................................. 16 1.2.4. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước ..................................... 17 1.3. Sơ lược về thuốc nhuộm .................................................................................... 18 1.3.1. Định nghĩa thuốc nhuộm ................................................................................. 18 1.3.2. Phân loại thuốc nhuộm .................................................................................... 18 1.4. Tiềm năng quặng sắt của Việt Nam ................................................................... 21 1.5. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh và metyl da cam .................. 22 iii
1.5.1. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh ........................................... 22 1.5.2. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metyl da cam ........................................... 23 1.6. Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang ............................................... 24 1.6.1. Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang ................................................. 25 1.6.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang ............................... 26 1.7. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu. ......................................... 27 1.7.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) ......................................................... 27 1.7.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) ............................................... 28 1.7.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................................... 29 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................. 30 ............................................................................................ 30 2.1.1. Thiết bị ............................................................................................................ 30 2.1 .......................................................................................................... 30 2.2. Chuẩn bị nguyên liệu ......................................................................................... 30 2.3. Xác định thành phần hoá học của quặng............................................................ 31 2.4. Chế tạo một số mẫu vật liệu hấp phụ ................................................................. 33 2.5. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ......................................................... 34 2.5.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metylen xanh ......................... 34 2.5.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của metyl da cam ......................... 35 2.6. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của NL và các mẫu VLHP chế tạo được ...... 36 2.7. Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ ............. 38 2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung .......................................................... 38 2.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung ........................................................... 40 2.8. Một số đặc trưng của VLHP M3 ........................................................................ 43 2.8.1. Diện tích bề mặt riêng .................................................................................... 43 2.8.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................................... 43 2.8.3. Xác định điểm đẳng điện của VLHP chế tạo được ......................................... 44 2.9. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của VLHP........................................................................................................... 46
2.9.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ............................................................................. 46 2.9.2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của VLHP ........... 49 2.9.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP............... 52 2.9.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP ......... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 60 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 63
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc 1 VLHP Vật liệu hấp phụ 2 BET Brunauer-Emmet-Teller 3 XRD X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) 4 SEM Hiển vi điện tử quét iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ .................................................13 Bảng 2.1: Thành phần hóa học chính của quặng Sắt Trại Cau-Thái Nguyên ...........32 Bảng 2.2: Kí hiệu các VLHP chế tạo được ...............................................................33 Bảng 2.3: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các nồng độ khác nhau ....................................................................................35 Bảng 2.4: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metyl da cam với các nồng độ khác nhau ....................................................................................36 Bảng 2.5: Số liệu đánh giá khả năng hấp phụ của NL và các VLHP đối với metylen xanh và metyl da cam .................................................................37 Bảng 2.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện của VLHP M3 .......................................45 Bảng 2.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ của VLHP .....47 Bảng 2.8: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh và metyl da cam của VLHP vào khối lượng VLHP ............................................................50 Bảng 2.9: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào thời gian ....................................................................................................52 Bảng 2.11: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ...............................57 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Đường đẳng nhiệthấp phụ Langmuir ................................................................... 14 Hình 1.2: Đồ thị sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .................................................................... 14 Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ................................................................ 16 Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb ................................................................................. 16 Hình 1.6: Công thức cấu tạo của metylen xanh ................................................................... 20 Hình 1.7: Công thức cấu tạo của MB+ ................................................................................. 20 Hình 2.1: Giản đồ XRD của nguyên liệu ............................................................................. 31 Hình 2.2 : Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ ...................................................................... 34 Hình 2.3: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh .......................................... 35 Hình 2.4: Đường chuẩn xác định nồng độ metyl da cam. ................................................... 36 Hình 2.5: Đồ thị biểu diễn khả năng hấp phụ metylen xanh và metyl da cam của NL và các mẫu VLHP ................................................................................................ 37 Hình 2.6: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 1 giờ .................................... 38 Hình 2.7: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 2 giờ .................................... 39 Hình 2.8: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 3 giờ .................................... 39 Hình 2.9: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 1500C trong 2 giờ .................................... 40 Hình 2.10: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2000C trong 2 giờ .................................. 41 Hình 2.11: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 2500C trong 2 giờ .................................. 41 Hình 2.12: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 3000C trong 2 giờ .................................. 42 Hình 2.13: Giản đồ XRD mẫu VLHP M3 nung ở 4000C trong 2 giờ .................................. 42 Hình 2.14: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP M3................................................. 44 Hình 2.15: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP M3 ................................................. 45 Hình 2.16: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào pH ......... 48 Hình 2.17: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam của VLHP vào pH ............ 48 Hình 2.18: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào khối lượng VLHP ........................................................................................................ 51 Hình 2.19: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metyl da cam của VLHP vào khối lượng VLHP ........................................................................................................ 51 Hình2.20: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấpphụ metylen xanh vào thời gian ........................ 53 vi
Hình 2.21: Sự phụ thuộc của hiệu suấthấp phụ metyl da cam vào thời gian ....................... 53 Hình 2.22: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh .......... 56 Hình 2.23: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với metylen xanh ...................................... 56 Hình 2.24: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metyl da cam .......... 56 Hình 2.25: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với metyl da cam ...................................... 56 vii
MỞ ĐẦU Hiện nay, Việt Nam đang ở giai đoạn đầu xây dựng một nước công nghiệp. Đây là giai đoạn tạo ra những tiền đề cơ bản cho công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước vì vậy vấn đề nhân lực có trình độ cao và vấn đề phát triển khoa học - công nghệ phải được đặt lên hàng đầu. Khoa học - công nghệ thực sự trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp, là động lực cơ bản của sự phát triển. Đặc biệt là ngành khoa học chế tạo vật liệu đang trên đà phát triển khá mạnh mẽ. Là một nước đang phát triển nên công nghiệp hóa - hiện đại hóa được xem như chìa khóa để phát triển đất nước. Hiện nay, với hơn 800.000 cơ sở sản xuất công nghiệp và gần 70 khu chế xuất - khu công nghiệp tập trung đã đóng góp một phần rất lớn vào GDP của đất nước. Công nghiệp càng phát triển thì vấn nạn ô nhiễm môi trường lại càng đáng lo ngại. Thuốc nhuộm hữu cơ là một trong những hóa chất gây độc môi trường sống của sinh vật dưới nước làm ô nhiễm nặng nguồn nước. Các ngành công nghiệp dệt nhuộm, giấy, chất dẻo, da, thực phẩm, mỹ phẩm thường sử dụng các phẩm màu. Do vậy, nước thải công nghiệp từ các xí nghiệp nhà máy này thường chứa ít nhiều các hóa chất màu nhuộm. Hấp phụ là một trong những phương pháp hóa lý phổ biến và hiệu quả để khử màu nhuộm. Nhiều loại chất hấp phụ khác nhau được biết đến trong ứng dụng này như than hoạt tính, zeolit, tro than, chitin và chitosan, v.v... Một trong số chất hấp phụ được dùng nhiều nhất là than hoạt tính bởi nó có dung lượng hấp phụ chất hữu cơ cao. Tuy nhiên, than hoạt tính thì giá thành cao và không tái sinh được. Từ quan điểm này, các chất hấp phụ giá rẻ hơn từ chất liệu thiên nhiên, vật liệu sinh học, phế liệu công - nông nghiệp được đề xuất và triển khai ứng dụng trong việc loại bỏ thuốc nhuộm và các kim loại nặng trong nước. Là một trong những quốc gia giàu khoáng sản như quặng sắt, quặng mangan…Các loại quặng này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như luyện gang thép, nấu thủy tinh, pin khô…Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng chúng làm 1
vật liệu hấp phụ còn chưa được quan tâm nghiên cứu. Xuất phát từ những lý do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên và khảo sát khả năng hấp phụ metylen xanh, metyl da cam của vật liệu hấp phụ”. Với mục đích đó trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu những nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ quặng sắt Trại Cau - Thái Nguyên - Nghiên cứu cấu trúc, hình thái học, diện tích bề mặt riêng của vật liệu bằng các phương pháp vật lý hiện đại như X-ray, BET, SEM… - Đánh giá được khả năng hấp phụ một số hợp chất hữu cơ như metylen xanh, metyl da cam của các vật liệu chế tạo được. 2
Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu Để tổng hợp vật liệu có thể dùng nhiều phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống hoặc phương pháp mới như: phương pháp ngưng tụ pha hơi, phương pháp đốt cháy, phương pháp sol - gel,… Sau đây là một số phương pháp cụ thể để tổng hợp vật liệu. 1.1.1. Phƣơng pháp thủy nhiệt Phản ứng trong dung dịch nước xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao gọi là phản ứng thủy nhiệt [20].Đó là dùng sự hoà tan trong nước của các chất tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao (hơn 100oC) và áp suất (lớn hơn 1atm) trong hệ kín. Đầu tiên, trong bình thuỷ nhiệt chỉ bao gồm nước và các tiền chất rắn. Khi nhiệt độ tăng, các tiền chất liên tục bị hoà tan, khiến cho nồng độ của chúng trong hỗn hợp lỏng ngày càng tăng lên và phản ứng hoá học xảy ra dễ dàng hơn. Các phần tử cấu thành nên dung dịch ở giai đoạn này có kích thước nhỏ hơn tiền chất ban đầu. Sau đó, hạ nhiệt độ sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ tạo thành chất mới. Phương pháp này có đặc điểm là kết tủa đồng thời các hiđroxit kim loại ởđiều kiện nhiệt độ và áp suất cao, cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng do đó có thể điều chếđược nhiều vật liệu mong muốn. Các oxit kim loại thường được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết tủa và kết tinh. Tổng hợp thủy nhiệt kết tủa sử dụng dung dịch muối tinh khiết của kim loại, còn tổng hợp thủy nhiệt kết tinh dùng hidroxit, sol hoặc gel. Thành công của quá trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt phụ thuộc vào sự lựa chọn tiền chất, nhiệt độ, pH và nồng độ của chất phản ứng. Trong phương pháp này thường sử dụng một số chất hữu cơ làm chất hoạt động bề mặt như cetyl trimetyl amoni bromua (CTAB), natri dodecyl sunfat (SDS), poli etylen glicol (PEG), etylen diamin (EDA). 3
Có thể kể ra một số ưu điểm của phương pháp này là: Thao tác đơn giản, có khả năng điều chỉnh kích thước hạt bằng nhiệt độ thủy nhiệt, có khả năng điều chỉnh hình dạng các hạt bằng cách sử dụng các dạng tiền chất khác nhau, thu được sản phẩm chất lượng cao, tinh khiết từ các vật liệu không tinh khiết ban đầu, quá trình sử dụng các phân tử tiền chất không phải là các khối vật liệu lớn, có thể dùng các nguyên liệu rẻ tiền để tạo các sản phẩm có giá trị, có thể sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau. Nhưng cũng có một số nhược điểm như: Tạo ra tạp chất không mong muốn, một sốchất không thể hoà tan trong nước, do đó không thể dùng phản ứng thuỷ nhiệt. Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm, tổng hợp được các vật liệu có kích thước hạt nanomet, tuy nhiên phương pháp này yêu cầu thiết bị tiến hành phản ứng tương đối phức tạp. 1.1.2. Phƣơng pháp kết tủa Một trong các phương pháp quan trọng để điều chế oxit là phương pháp kết tủa. Để thu được kết tủa có thành phần hóa học mong muốn, các tác nhân tạo kết tủa cần thỏa mãn điều kiện sau: phản ứng kết tủa phải xảy ra nhanh và sản phẩm kết tủa không tan trong dung môi. Các tác nhân kết tủa có thể là dung dịch muối vô cơ hoặc hữu cơ. Các muối vô cơ thường sử dụng là muối cacbonat, oxalat, hidroxit của natri, kali, amoni… Khi sử dụng dung dịch muối hữu cơ làm tác nhân kết tủa làm cho quá trình rửa kết tủa dễ dàng hơn. Khả năng bay hơi cao của các hợp chất hữu cơ khi phân hủy tạo cho hạt mịn hơn. Các tác nhân kết tủa trên cơ sở muối hữu cơ rất thích hợp cho sản xuất sản phẩm có độ mịn, độ đồng nhất cao theo tỉ lệ hợp thức mong muốn. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết tủa như nồng độ, tỉ lệ các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ và pH của dung dịch. Các yếu tố trên cũng ảnh hưởng nhiều đến kích thước và diện tích bề mặt riêng của sản phẩm. Chẳng hạn, khi tăng nhiệt độ kết tủa từ 400C lên 800C thì kích thước hạt MgO giảm từ 28,89 đến 14,48 nm và diện tích bề mặt riêng tăng từ 58 đến 116 m2/g [22]. Ảnh hưởng của tác nhân tạo kết tủa đến diện tích bề mặt riêng của oxit cũng được tác giả [23] nghiên cứu. 4
Phương pháp kết tủa có ưu điểm sau: Cho sản phẩm tinh khiết, tính đồng nhất của sản phẩm cao, thay đổi các tính chất của vật liệu thông qua việc điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ của sự thuỷ phân, sự kết tinh ảnh hưởng hình thái học, độ lớn và tính chất của các hạt sản phẩm cuối cùng. Vật liệu tổng hợp được bằng phương pháp này cho kích nhỏ, đồng đều, các tiền chất để tổng hợp đơn giản dễ tìm. Tuy nhiên, để tổng hợp vật liệu nào đó, không phải lúc nào cũng lựa chọn được các tiền chất thích hợp. Phƣơng pháp đồng kết tủa: Theo phương pháp này muối của các cation kim loại được hòa tan trong một dung dịch, sau đó các cation này được kết tủa dưới dạng hidroxit, muối cacbonat, muối oxalat. Sản phẩm được đem rửa, sấy khô, nghiền và nung. Tính đồng nhất của vật liệu cần điều chế phụ thuộc vào tính đồng thời kết tủa từ dung dịch. Để các ion kết tủa đồng thời thì chúng phải có tốc độ tan và tốc độ kết tủa gần giống nhau. Việc chọn điều kiện để các ion kim loại kết tủa đồng thời là khó khăn và phức tạp, người ta phải sử dụng một số biện pháp như thay thế một phần nước bằng dung môi hữu cơ.Với các điều kiện chế tạo tối ưu phương pháp này có thể cho ta những hạt ban đầu cỡ vài trăm Å. Các ion phản ứng dư cần vượt qua quãng đường khuếch tán gấp 10 - 50 lần kích thước ô mạng cơ sở, nghĩa là nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp gốm. Sản phẩm thu được có tính đồng nhất cao, bề mặt riêng và độ tinh khiết khá lớn, giảm năng lượng thiêu kết[17], [18]. 1.1.3. Phƣơng pháp sol-gel Phương pháp sol-gel thường dựa vào sự thủy phân và ngưng tụ ankolat kim loại hoặc ankolat precursor định hướng cho các hạt oxit phân tán vào trong sol. Sau đó sol được làm khô và ngưng tụ thành mạng không gian ba chiều gọi là gel. Gel là tập hợp gồm pha rắn được bao bọc bởi dung môi [23]. Nếu dung môi là nước thì sol và gel tương ứng được gọi là aquasol và alcogel. Chất lỏng được bao bọc trong gel có thể loại bỏ bằng cách làm bay hơi hoặc chiết siêu tới hạn. Sản phẩm rắn thu được là xerogel và aerogel tương ứng. Phương pháp sol-gel có một số ưu điểm sau: Tạo sản phẩm có độ tinh khiết cao, có thể điều chỉnh được các tính chất vật lý như sự phân bố kích thước mao quản, số 5
lượng mao quản của sản phẩm, tạo sự đồng nhất trong pha ở mức độ phân tử, có thể điều chế mẫu ở nhiệt độ thấp và bổ sung dễ dàng một số thành phần. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ đồng nhất của của sản phẩm là dung môi, nhiệt độ, bản chất của precursor, pH, xúc tác, chất phụ gia. Dung môi có ảnh hưởng đến động học quá trình, còn pH ảnh hưởng đến các quá trình thủy phân và ngưng tụ. Có bốn bước quan trọng trong quá trình sol-gel: hình thành gel, làm già gel, khử dung môi và cuối cùng là xử lí bằng nhiệt để thu được sản phẩm. Phương pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo gel và có thể qui về ba hướng sau: thủy phân các muối, thủy phân các ankolat và sol-gel tạo phức. Trong ba hướng này, thủy phân các muối được nghiên cứu sớm nhất, phương pháp thủy phân các ankolat đã được nghiên cứu khá đầy đủ còn phương pháp sol-gel tạo phức hiện đang được nghiên cứu nhiều và đã được đưa vào thực tế sản xuất [23]. 1.1.4. Phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy Trong những năm gần đây, phương pháp tổng hợp đốt cháy hay tổng hợp bốc cháy (Combustion Synthesis-CS) trở thành một trong những kĩ thuật quan trọng trong điều chế và xử lí các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng), composit, vật liệu nano và chất xúc tác [26]. So với một số phương pháp hóa học khác, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra oxit nano ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt ngay sản phẩm cuối cùng mà không cần phải xử lí nhiệt thêm nên có thể hạn chế được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng lượng. Trong quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng giữa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử… Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu mới với chi phí thấp nhất so với các phương pháp truyền thống. Một số ưu điểm của phương pháp đốt cháy là thiết bị công nghệ tương đối đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, có thể dễ dàng điều khiển được hình dạng và kích thước của sản phẩm [26]. 6
Phương pháp đốt cháy được biết như là quá trình tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình phản ứng (Self Propagating High Temperature Synthesis Process) hay còn gọi là quá trình SHS. Tùy thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể chia thành: đốt cháy trạng thái rắn (Solid State Combustion-SSC), đốt cháy dung dịch (Solution Combustion-SC), đốt cháy gel polime (Polimer Gel Combustion-PGC) và đốt cháy pha khí (Gas Phase Combustion-GPC). Trong phương pháp đốt cháy gel polime, để ngăn ngừa sự tách pha cũng như sự đồng nhất cao cho sản phẩm, phương pháp hoá học ướt thường sử dụng các tác nhân tạo gel. Một số polime hữu cơ được sử dụng ngoài vai trò tác nhân tạo gel còn là nguồn nhiên liệu như polivinyl alcol, polietylen glycol, polyacrylic axit và có thể là hồ tinh bột[27]. Trong phương pháp này, dung dịch tiền chất gồm dung dịch các muối kim loại (thường là muối nitrat) được trộn với polyme hoà tan trong nước tạo thành hỗn hợp nhớt. Làm bay hơi nước hoàn toàn hỗn hợp này thu được khối xốp nhẹ và đem nung ở khoảng 300 -900oC thu được các oxit phức hợp. Từ các thống kê trên cho thấy phương pháp đốt cháy gel polime được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và đã tổng hợp được các vật liệu có kích thước nanomet, diện tích bề mặt lớn. 1.1.5. Phƣơng pháp gốm truyền thống Cơ sở của quá trình này chính là quá trình xâm nhập của các nguyên tử chất rắn khác loại lẫn vào nhau, quá trình này gọi là quá trình khuếch tán. Quá trình khuếch tán xảy ra mạnh khi nung chất rắn ở nhiệt độ cao (cỡ bằng 2/3 so với nhiệt độ nóng chảy). Các phản ứng pha rắn thường xảy ra chậm khi các hạt tiếp xúc với nhau, ban đầu xảy ra nhanh hơn sau đó lớp phẩm dần lên làm cho con đường khuếch tán của các ion tiếp xúc với nhau càng kéo dài hơn do vậy làm giảm tốc độ phản ứng. 7
Theo phương pháp này, người ta dùng phối liệu ban đầu là các muối cacbonat, muối axetat hay các muối khác của kim loại hợp phần, sau đó được làm qua các công đoạn sau: Chuẩn bị Nghiền Ép viên Nung Nghiền trộn Sảnphẩm phối liệu trộn Phương pháp gốm truyền thống có những ưu điểm như: dùng ít hóa chất, hóa chất không đắt tiền, các thao tác dễ tự động hóa nên dễ dàng đưa đưa vào dây chuyền sản xuất với lượng lớn. Tuy nhiên nó có những nhược điểm như: đòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp, tính đồng nhất của sản phẩm không cao, kích thước hạt lớn (cỡ milimet) nên khi ép viên tạo thành sản phẩm thường có độ rỗng lớn, phản ứng trong pha rắn diễn ra chậm[17]. 1.1.6. Phƣơng pháp phóng điện hồ quang Cho chất khí trơ thổi qua bình chân không với áp suất thấp, trong bình có hai điện cực nối với một hiệu điện thế cỡ vài Vôn. Khi mồi cho chúng phóng điện có hồ quang giữa hai điện cực, điện cực anot bị điện tử bắn phá làm cho các phân tử ở đó bật ra, bị mất điện tử và trở thành ion dương hướng về catot. Do đó catot bị phủ một lớp vật chất bay từ anot sang. Trong những điều kiện thích hợp sẽ tạo ra trên catot một lớp bột mịn, kích thước hạt cỡ nano[4]. 1.1.7. Phƣơng pháp ngƣng đọng pha hơi Phương pháp này có thể tạo ra bột nano kim loại có độ tinh khiết cao kích thước hạt đồng đều. Để tiến hành người ta cho kim loại vào một bình kín, hút chân không và đốt nóng kim loại để kim loại nóng chảy và bốc hơi. Hơi kim loại bay lên được ngưng tụ lại trên bề mặt vật rắn ở trong bình chân không. Muốn tạo ra bột oxit kim loại hoặc nitrua kim loại người ta thay môi trường chân không bằng khí oxi hoặc khí nitơ ở áp suất thích hợp rồi thổi qua bình. Cùng với sự ngưng đọng trên bề mặt, còn có các phản ứng hóa học xảy ra tạo được với bột có thành phần như mong muốn [4]. 1.2. Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải : Phương pháp cơ học, phương phương pháp xử lý sinh học, phương pháp hóa lý, phương pháp hấp phụ và 8
phương pháp hóa học. So với các phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có các đặc tính ưu việt hơn hẳn và đang được chú ý nhiều trong thời gian gần đây. Vật liệu hấp phụ có thể chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên và các phụ phẩm nông, công nghiệp sẵn có và dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, chi phí thấp, đặc biệt, các vật liệu hấp phụ này có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả cao và quá trình xử lý không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại [2], [9], [11].Vì vậy trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ cho quá trình nghiên cứu. 1.2.1.Các khái niệm Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó: Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 gam chất hấp phụ. Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ. Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2], [9]. 1.2.1.1. Hấp phụ vật lý Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao. 9