intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt mangan hydroxit ứng dụng hấp phụ Asen(V) trong dung dịch nước

Chia sẻ: Ni Ni | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

70
lượt xem
3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt mangan hydroxit (RHA/FeMn(OOH)) có hoạt tính hấp phụ ion As(V) trong dung dịch nước. Tro trấu được phủ sắt mangan hydroxit bằng tác nhân kết tủa NH3 5% sau khi xử lý bằng dung dịch HCl loãng, nung ở nhiệt độ 700o C, thời gian nung 60 phút. Các đặc trưng của vật liệu được xác định bằng các phương pháp XRD, EDX, SEM, TEM, FT-IR.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt mangan hydroxit ứng dụng hấp phụ Asen(V) trong dung dịch nước

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế<br /> <br /> Tập 6, Số 1 (2016)<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU TRO TRẤU PHỦ SẮT MANGAN HYDROXIT<br /> ỨNG DỤNG HẤP PHỤ ASEN(V) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC<br /> <br /> Hồ Văn Minh Hải*, Nguyễn Đức Vũ Quyên, Đặng Xuân Tín,<br /> Bùi Thị Hoàng Diễm, Nguyễn Hoàng Như Ngọc<br /> Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế<br /> *<br /> <br /> Email: minhhai061186@gmail.com<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt mangan<br /> hydroxit (RHA/FeMn(OOH)) có hoạt tính hấp phụ ion As(V) trong dung dịch nước. Tro<br /> trấu được phủ sắt mangan hydroxit bằng tác nhân kết tủa NH3 5% sau khi xử lý bằng dung<br /> dịch HCl loãng, nung ở nhiệt độ 700oC, thời gian nung 60 phút. Các đặc trưng của vật liệu<br /> được xác định bằng các phương pháp XRD, EDX, SEM, TEM, FT-IR. Kết quả cho thấy, vật<br /> liệu RHA/FeMn(OOH) tồn tại ở dạng vô định hình với độ phân tán cao, tạo thành các hạt<br /> hình cầu kích thước đồng đều khoảng 25 nm. Các hạt kết tụ với nhau tạo nhiều tâm hoạt<br /> tính, tăng khả năng hấp phụ ion As(V) trong môi trường nước, với nồng độ ban đầu là 50<br /> mg/L, liều lượng hấp phụ 5 g/L đạt hiệu suất hấp phụ 99%.<br /> Từ khóa: vật liệu sắt-mangan hydroxit , hấp phụ asen, hoạt tính tro trấu.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Asen là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người<br /> và sinh vật. Nó có vai trò quan trọng trong việc trao đổi nuclein và tổng hợp protit. Tuy nhiên,<br /> theo tổ chức y tế thế giới WHO, nếu nồng độ asen trong nước vượt quá 0,01mg/L thì có thể gây<br /> nhiễm độc và tác hại xấu đến sức khỏe con người. Các triệu chứng nhiễm độc asen bao gồm đau<br /> bụng, nôn mửa, đau cơ, suy nhược, phù nề da, trong trường hợp nặng có thể gây ung thư [1,3].<br /> Trên thế giới đã từng chứng kiến cuộc khủng hoảng asen vào năm 1983, khi Bang Tây Bengal<br /> của Ấn Độ đã phát hiện trên 200.000 ca nhiễm độc và trên một triệu người đang nằm trong vùng<br /> bị phơi nhiễm. Tại Bangladesh, sự nhiễm độc nước giếng do asen càng được khẳng định, khi từ<br /> năm 1993 tới nay đã có khoảng 35 đến 77 triệu người có nguy cơ bị ngộ độc [1]. Ở Việt Nam,<br /> những vùng bị ô nhiễm nghiêm trọng nhất là Hà Nam, Hà Tây (cũ), Nam Định, Ninh Bình.<br /> Trong đó, mức độ ô nhiễm asen ở tỉnh Hà Nam là cao nhất so với cả nước (50,2% số giếng<br /> khoan ở Hà Nam có nồng độ asen trên 0,05 mg/L). Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý asen trong<br /> <br /> 75<br /> <br /> Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt mangan hydroxit ứng dụng hấp phụ asen(V) …<br /> <br /> nước để đảm bảo sức khỏe con người đang được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước<br /> đặc biệt quan tâm.<br /> Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lý asen truyền thống đã được nghiên cứu và sử dụng<br /> như: sự oxy hóa, sự kết tủa/ làm giàu, sự tách, lọc bằng màng, hấp phụ... Tuy nhiên, phương<br /> pháp hấp phụ là hướng khá khả thi đang được quan tâm nghiên cứu bởi tính đơn giản, ưu việt<br /> trong quá trình loại bỏ asen trong nước.<br /> Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ<br /> sắt và mangan hydroxit ứng dụng hấp phụ asen trong dung dịch nước.<br /> <br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Quy trình tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt và mangan hydroxit được trình bày ở hình 1.<br /> Vỏ trấu sau khi xử lý bằng dung dịch HCl 1M trong 8h được rửa sạch bằng nước mềm, sấy khô.<br /> Sau đó, vỏ trấu được nung trong môi trường oxy hóa, nhiệt độ nung 700oC, thời gian lưu mẫu là<br /> 1 giờ trong lò điện thu được tro trấu (RHA). RHA được cho vào hỗn hợp dung dịch Fe3+ 0,1 M<br /> và Mn2+ 0,1M, khuấy đều hỗn hợp trong 30 phút bằng máy khuấy từ, cho từ từ dung dịch NH3<br /> 5% để điều chỉnh pH của hỗn hợp đạt 5 - 7, khi đó hỗn hợp Fe3+ và Mn2+ kết tủa hoàn toàn dưới<br /> dạng hydroxit bao bọc quanh các hạt tro trấu. Lọc rửa kết tủa, sấy khô thu được vật liệu tro trấu<br /> phủ sắt và mangan hydroxit (viết tắt là RHA/FeMn(OOH)).<br /> Hoạt tính của vật liệu RHA/FeMn(OOH) được đánh giá thông qua khả năng hấp phụ<br /> ion As(V) trong dung dịch nước. Cách tiến hành: cho 0,125 g vật liệu RHA/FeMn(OOH) vào<br /> bình tam giác chứa 25 mL dung dịch As(V) nồng độ 50 mg/L. Lắc đều hỗn hợp bằng máy lắc<br /> trong 120 phút để quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Sau đó lọc để tách pha rắn, thu lấy phần dung<br /> dịch, xác định nồng độ As(V) trong dung dịch sau hấp phụ. Hiệu suất quá trình hấp phụ được<br /> tính theo công thức: H= ((C0 -Ce)*100/Co)<br /> Trong đó: trong đó: Co và Ce lần lượt là nồng độ của As(V) trong dung dịch trước và<br /> sau hấp phụ (mg/L).<br /> <br /> 76<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế<br /> <br /> Tập 6, Số 1 (2016)<br /> <br /> Dung dịch Mn2+ 0,1M<br /> <br /> Dung dịch Fe3+ 0,1M<br /> <br /> Tro trấu<br /> <br /> Dung dịch NH3 5%,<br /> pH = 5-6<br /> <br /> Khuấy từ<br /> <br /> Lọc, rửa, sấy<br /> <br /> Vật liệu RHA/FeMn(OOH)<br /> Hình 1. Sơ đồ tổng hợp vật liệu RHA/FeMn(OOH)<br /> <br /> Dung dịch thí nghiệm As(V) (50mg/L) được chuẩn bị từ axit H3AsO4 (hãng SigmaAldrich), nồng độ As(V) trong dung dịch được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ<br /> nguyên tử (AAS) ở bước sóng λ = 193,7 nm tại trung tâm kiểm định dược tỉnh Thừa Thiên Huế.<br /> Thành phần pha tinh thể của vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)<br /> trên thiết bị D5005 (Siemens, Đức) với bức xạ CuK ( = 1,5406Å). Tỷ lệ các nguyên tố trên bề<br /> mặt vật liệu được xác định bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) trên hệ thống<br /> thiết bị JSM Jeol 5410LV (Nhật Bản) với hệ thống Oxford ISIS 300 (Anh). Hình thái và kích<br /> thước hạt của vật liệu được quan sát bằng hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị JSM Jeol<br /> 5410LV và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trên thiết bị Jeol JEM-1010 (Nhật Bản). Phổ hồng<br /> ngoại (FTIR) của vật liệu được ghi trên thiết bị IRPrestige-21 (hãng Shimadzu).<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp đến khả năng hấp phụ As(V) của vật liệu<br /> 3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ hàm lượng Fe(OH)3 và Mn(OH)2<br /> Để khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ hàm lượng sắt và mangan hydroxit (quy về dạng oxit),<br /> chúng tôi tiến hành tổng hợp các mẫu vật liệu sao cho hàm lượng MnO thay thế Fe2O3 lần lượt<br /> từ 10% đến 90% (theo khối lượng), tổng hàm lượng MnO và Fe2O3 so với RHA là 15%. Các<br /> mẫu vật liệu được ký hiệu tương ứng lần lượt là RFM10 đến RFM90. Kết quả khảo sát ảnh<br /> hưởng tỉ lệ Fe2O3 và MnO đến khả năng hấp phụ As(V) được trình bày ở bảng 1.<br /> <br /> 77<br /> <br /> Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tro trấu phủ sắt mangan hydroxit ứng dụng hấp phụ asen(V) …<br /> <br /> Bảng 1. Hiệu suất hấp phụ As(V) của vật liệu RHA/FeMn(OOH)<br /> có tỉ lệ hàm lượng MnO thay thế Fe2O3 khác nhau<br /> <br /> Ký hiệu mẫu<br /> Hàm lượng MnO thay thế (%)<br /> Ce (mg/L)<br /> H (%)<br /> <br /> RFM10<br /> 10<br /> 9,43<br /> 81,14<br /> <br /> RFM20<br /> 20<br /> 7,41<br /> 85,18<br /> <br /> RFM30<br /> 30<br /> 5,63<br /> 88,74<br /> <br /> RFM50<br /> 50<br /> 7,66<br /> 84,68<br /> <br /> RFM70<br /> 70<br /> 32,66<br /> 34,68<br /> <br /> RFM90<br /> 90<br /> 37,52<br /> 24,96<br /> <br /> ĐKTN: Nhiệt độ nung vỏ trấu là 700oC, thời gian nung vỏ trấu là 60 phút, hàm lượng phủ các<br /> oxit là 15%, nhiệt độ nung vật liệu RHA/FeMn(OOH) là 100oC và nồng độ As(V) ban đầu là 50 mg/L.<br /> <br /> Kết quả cho thấy, khi hàm lượng phủ MnO thay thế từ 5% đến 30% thì hiệu suất hấp<br /> phụ As(V) của vật liệu tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng từ 30% đến 90% thì khả<br /> năng hấp phụ As(V) của vật liệu giảm rõ rệt. Vì vậy, chúng tôi chọn tỉ lệ hàm lượng MnO thay<br /> thế là 30% để thực hiện trong quá trình tổng hợp.<br /> 3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng phủ sắt và mangan hydroxit<br /> Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phủ sắt và mangan hydroxit (quy về dạng oxit)<br /> đến khả năng hấp phụ ion As(V) của vật liệu RHA/FeMn(OOH), chúng tôi tiến hành cho tro<br /> trấu vào dung dịch chứa Fe3+ 0,1M và Mn2+ 0,1 M, lượng dung dịch được thay đổi sao cho tỉ lệ<br /> hàm lượng Fe2O3 và MnO là 7:3 (theo khối lượng) và tổng hàm lượng các oxit trong vật liệu<br /> RHA/FeMn(OOH) thay đổi từ 5 đến 35% (theo khối lượng). Các mẫu được ký hiệu tương ứng<br /> với tổng hàm lượng các oxit lần lượt từ RHA5 đến RHA35. Kết quả khảo sát ảnh hưởng hàm<br /> lượng phủ các oxit lên RHA đến hiệu suất hấp phụ ion As(V) được trình bày ở bảng 2.<br /> Kết quả cho thấy: khi hàm lượng phủ các oxit tăng dần từ 5 đến 20% thì hiệu suất hấp<br /> phụ As(V) tăng rõ rệt. Tuy nhiên, khi tăng từ 20 đến 35%, khả năng hấp phụ As(V) của vật liệu<br /> hầu như hoàn toàn và thay đổi không đáng kể. Với kết quả này có thể thấy vật liệu tổng hợp<br /> được có khả năng hấp phụ As(V) rất tốt vì gần như hoàn toàn (khoảng 99% As(V) 50mg/L đã<br /> được loại khỏi dung dịch). Do vậy, chúng tôi lựa chọn tổng hàm lượng các oxit phủ lên tro trấu<br /> là 30 %.<br /> Bảng 2. Hiệu suất hấp phụ As(V) của vật liệu RHA/FeMn(OOH) có hàm lượng phủ các oxit khác nhau<br /> <br /> Ký hiệu mẫu<br /> Hàm lượng phủ (%)<br /> Ce (mg/L)<br /> H (%)<br /> <br /> RHA5<br /> 5<br /> 9,76<br /> 80,48<br /> <br /> RHA10<br /> 10<br /> 6,62<br /> 86,76<br /> <br /> RHA15<br /> 15<br /> 4,22<br /> 91,56<br /> <br /> RHA20<br /> 20<br /> 0,23<br /> 99,54<br /> <br /> RHA25<br /> 25<br /> 0,13<br /> 99,74<br /> <br /> RHA30<br /> 30<br /> 56,9.10-3<br /> 99,99<br /> <br /> RHA35<br /> 35<br /> 50,5.10-3<br /> 99,99<br /> <br /> ĐKTN: Nhiệt độ nung vỏ trấu là 700oC, thời gian nung vỏ trấu là 60 phút, tỉ lệ Fe2O3:MnO=7:3,<br /> nhiệt độ nung vật liệu RHA/FeMn(OOH) là 100oC và nồng độ As(V) ban đầu là 50 mg/L.<br /> <br /> 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung vật liệu<br /> Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng hấp phụ ion As(V) của vật liệu<br /> RHA/FeMn(OOH), chúng tôi tiến hành nung vật liệu tro trấu sau khi phủ các hydroxit ở các<br /> nhiệt độ khác nhau từ 80 đến 400oC, mẫu được ký hiệu tương ứng theo nhiệt độ nung lần lượt từ<br /> RHA80 đến RHA400. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung vật liệu<br /> 78<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế<br /> <br /> Tập 6, Số 1 (2016)<br /> <br /> RHA/FeMn(OOH) đến hiệu suất hấp phụ ion As(V) được trình bày ở bảng 3.<br /> Kết quả trên cho thấy, trong khoảng nhiệt độ nung từ 80 đến 120oC, hiệu suất hấp phụ<br /> gần như không thay đổi. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ nung đến 400oC thì hoạt tính của vật liệu<br /> giảm mạnh. Vì vậy, để tiết kiệm năng lượng chúng tôi lựa chọn nhiệt độ sấy thích hợp là 80oC.<br /> Bảng 3. Hiệu suất hấp phụ As(V) của vật liệu RHA/FeMn(OOH) nung ở các nhiệt độ khác nhau<br /> <br /> Ký hiệu mẫu<br /> Nhiệt độ nung<br /> vật liệu (oC)<br /> Ce (mg/L)<br /> H (%)<br /> <br /> RHA<br /> 80<br /> 80<br /> <br /> RHA<br /> 100<br /> 100<br /> <br /> RHA<br /> 120<br /> 120<br /> <br /> RHA<br /> 140<br /> 140<br /> <br /> RHA<br /> 160<br /> 160<br /> <br /> RHA<br /> 180<br /> 180<br /> <br /> RHA<br /> 200<br /> 200<br /> <br /> RHA<br /> 400<br /> 400<br /> <br /> 0,21<br /> 99,58<br /> <br /> 0,22<br /> 99,56<br /> <br /> 0,25<br /> 99,50<br /> <br /> 0.48<br /> 99,04<br /> <br /> 0,88<br /> 98,24<br /> <br /> 1,03<br /> 97,94<br /> <br /> 1,50<br /> 97,00<br /> <br /> 19,3<br /> 61,4<br /> <br /> ĐKTN: Nhiệt độ nung vỏ trấu là 700oC, thời gian nung vỏ trấu là 60 phút, hàm lượng phủ là<br /> 30%, tỉ lệ Al2O3:MnO=7:3 và nồng độ As(V) ban đầu là 50 mg/L.<br /> <br /> 3.2. Các đặc trưng của vật liệu RHA/Al(OH)3<br /> 3.2.1. Thành phần pha của vật liệu<br /> Giản đồ nhiễu xạ tia X của tro trấu và vật liệu RHA/FeMn(OOH) được biểu diễn ở hình<br /> 2. Kết quả cho thấy: thành phần pha chủ yếu của tro trấu và vật liệu RHA/FeMn(OOH) là pha<br /> vô định hình. Trên giản đồ chỉ xuất hiện pic nhiễu xạ có cường độ nhỏ tại 22,5o, đây là pic đặc<br /> trưng của pha cristobalite ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể [2]. Mặt khác, trên giản đồ XRD của<br /> vật liệu RHA/FeMn(OOH) không xuất hiện các pha tinh thể đặc trưng của các nguyên tố Fe và<br /> Mn, điều này khẳng định rằng sắt và mangan hydroxit phủ lên tro trấu là ở dạng vô định hình.<br /> Quan sát giản đồ EDX của vật liệu RHA/FeMn(OOH) phủ 30% các oxit cho thấy, tỷ lệ<br /> nguyên tử Si/(Fe+Mn) trên bề mặt vật liệu đạt 1,645. Tổng hàm lượng sắt mangan hydroxit (quy<br /> về dạng oxit) trong vật liệu chiếm 31% (theo khối lượng). Kết quả này phù hợp với tổng hàm<br /> lượng phủ các oxit khi tổng hợp vật liệu.<br /> <br /> Hình 2. Giản đồ XRD của mẫu tro trấu (RHA) và của vật liệu RHA/FeMn(OOH) (A),<br /> Giản đồ EDX của vật liệu RHA/FeMn(OOH) (B)<br /> 79<br /> <br />
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2