Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp chứa Fe (Fe-Mn, Fe–Ti, Fe-Nd) kích thước nanomet ứng dụng để xử lý asen trong nước sinh hoạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ---o0o--- PHẠM NGỌC CHỨC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MỘT SỐ OXIT HỖN HỢP CHỨA Fe (Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) KÍCH THƯỚC NANOMET ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Hóa Vô cơ Mã số: 62.44.01.13 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2016 Công trình được hoàn thành tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Thầy hướng dẫn: PGS.TS Lưu Minh Đại, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam TS Nguyễn Đức Văn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Cấp Học Viện tại Học Viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội vào hồi năm 2016 Có thể tìm luận án tại: - Thư Viện Học Viện Khoa học và Công nghệ - Thư Viện Quốc gia Việt Nam giờ ngày tháng A – MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch cho mục đích sinh hoạt của con người ngày càng lớn. Đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch đang là vấn đề thách thức đối với toàn thế giới. Thiếu nước sạch không chỉ là mối lo ngại của một quốc gia mà còn là vấn đề toàn cầu. Vấn đề này không chỉ ở các nước Châu Phi, các vùng sa mạc hóa, mà ngay cả các vùng có nguồn nước do các con sông chảy qua cũng thiếu nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt của con người. Sự ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, do sự phát triển của công nghiệp phát ra các nguồn khí thải ô nhiễm, nước thải, chất thải rắn nguy hại và các hoạt động khai thác khoáng sản của con người gây ra. Sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm, nguồn nước bị nhiễm các kim loại nặng độc hại, đặc biệt là asen ảnh hưởng xấu đến chất lượng cuộc sống của con người. Ở Việt Nam hiện nay, nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu là nước ngầm. Nguồn nước ngầm ở một số tỉnh thành như: Hà Nam, Hưng Yên, Vĩnh Phúc Long An, An Giang, Hà Tĩnh…. thường chứa các kim loại nặng độc hại như sắt, mangan, asen. Con người sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm lâu ngày là một trong các nguyên nhân gây ra các bệnh hiểm nghèo như: bệnh về da, mắt, các dịch bệnh lây qua nguồn nước và đặc biệt là asen gây ra các bệnh ung thư xương, thận, gan… Để loại bỏ các kim loại nặng độc hại ra khỏi nguồn nước, thường sử dụng các phương pháp hóa học, hóa – hóa lý như: kết tủa, trao đổi ion, màng lọc, phương pháp oxi hóa, hấp phụ… Hiện nay, phương pháp phổ biến được dùng để xử lý loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nguồn nước là phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu hấp phụ, đặc biệt là vật liệu nano. Phương pháp hấp phụ có sử dụng vật liệu nano cho hiệu quả cao tại các vùng nông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm, chưa có các nhà máy xử lý nước tập trung, do thiết bị hấp phụ nhỏ gọn, dễ vận hành và đầu tư không lớn. Việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit kim loại để hấp phụ asen được nhiều nhà khoa học quan tâm do những đặc tính ưu việt của chúng. Vật liệu oxit riêng rẽ sắt, oxit mangan, oxit titan và oxit đất hiếm đã được nghiên cứu sử dụng để loại bỏ asen . Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano oxit hỗn hợp hấp phụ asen, nhằm kết hợp được các đặc tính ưu việt của từng đơn oxit cần được quan tâm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp một số oxit hỗn hợp chứa Fe (hệ Fe – Mn, Fe – Ti, Fe – Nd) kích thước nanomet ứng dụng để xử lý Asen trong nước sinh hoạt” 2. Mục đích của luận án Mục đích của luận án là đóng góp một cách hệ thống vào lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano, ứng dụng vào thực tiễn xử lý asen trong nước sinh hoạt. Nội dung chính của luận án là nghiên cứu tổng hợp nano oxit hỗn hợp chứa sắt hệ (Fe – Ti, Fe – Nd, Fe – Mn) bằng phương pháp đốt cháy gel polivinyl ancol (PVA), nghiên cứu khả năng hấp phụ As trên vật liệu tổng hợp và ứng dụng để sử lý asen trong nước sinh hoạt. 1 3. Những đóng góp mới của luận án - Tổng hợp được ba hệ vật liệu Fe2O3 – TiO2 (α – Fe2O3, TiO2 anatat), NdFeO3 và Fe2O3 – Mn2O3 (α – Fe2O3, α – Mn2O3) bằng phương pháp đốt cháy gel PVA - Đặc biệt là quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu perovskit NdFeO3 được nghiên cứu khá tổng thể và tỷ mỷ bằng một số phương pháp hóa lý hiện đại (EDS, FTIR và Raman); - Đã chế tạo thành công vật liệu oxit hỗn hợp hệ Fe – Mn/CTA ứng dụng để xử lý As trong nước sinh hoạt 4. Bố cục của luận án Nội dung của luận án gồm 115 trang, 37 hình, 27 bảng với 115 tài liệu tham khảo. Bố cục của luận án như sau: Mở đầu: 2 trang Chương 1 – Tổng quan: 24 trang Chương 2 – Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm: 16 trang Chương 3 – Kết quả và thảo luận: 58 trang Kết luận: 1 trang Danh mục các công trình khoa học đã công bố: 1 trang B – NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1: TỔNG QUAN Trên cơ sở phân tích tài liệu, luận án đã đề cập đến: 1.1. Tình hình ô nhiễm asen trên thế giới 1.2. Tình hình ô nhiễm asen ở Việt Nam 1.3. Các phương pháp loại bổ asen ra khỏi nguồn nước 1.4. Tổng quan về vật liệu xử lý asen 1.5. Các phương pháp tổng hợp vật liệu Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 2.2. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu 2.3. Các phương pháp phân tích hóa học 2.4. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Phần I: Vật liệu nano Fe2O3 – TiO2 3.1.1. Tổng hợp vật liệu hệ nano oxit Fe2O3 – TiO2 bằng phương pháp đốt cháy gel PVA Để khảo sát nhiệt độ nung, tác giả tiến hành điều chế mẫu gel ở pH = 1, nhiệt độ tạo gel 80oC, tỷ lệ mol tỷ lệ mol Fe/Ti = 1:1, tỷ lệ mol (Ti3++Fe3+)/PVA = 1:3, gel được sấy khô và đem phân tích nhiệt. Kết quả phân tích nhiệt trên Hình 3.1 xuất hiện hiệu ứng giảm khối lượng 1,7 % trên đường TG trong khoảng nhiệt độ từ 50 – 130oC, ứng với hiệu ứng thu nhiệt ở 109oC trên đường DTA, sự giảm khối lượng này là do sự bay hơi của nước hấp phụ trong mẫu gel. Hiệu ứng giảm khối lượng 16,9 % trên đường TG trong khoảng nhiệt độ 130 – 290oC, ứng với hiệu ứng thu nhiệt ở 217oC, sự giảm khối lượng này là do sự 2 mất nước kết tinh trong mẫu gel. Tiếp theo là hiệu ứng giảm khối lượng 13,8 % trên đường TG trong khoảng nhiệt độ 290 – 500oC, ứng với hiệu ứng tỏa nhiệt ở 394oC, sự giảm khối lượng này là do sự phản ứng cháy của PVA trong gel, ở khoảng nhiệt độ này bắt đầu hình thành oxit hỗn hợp Fe2O3 – TiO2. T: 394 (°C ) 10 E xo HeatFlow (mW ) 0 -10 -20 -30 T: 109.41 (°C ) -40 T: 217.36 (°C ) -50 -60 0 Δm(m -0.143 g) Δm(%) -1.679 -1 Δm(m -1.437 g) Δm(%) -16.901 TG (mg) -2 -3 Δm(m -1.174 g) Δm(%) -13.814 -4 -5 0 100 200 300 400 500 Sample Temperature (°C) 600 700 800 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu gel (Ti+Fe)/PVA Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu Fe2O3 – TiO2 nung ở nhiệt độ nung khác nhau Để làm rõ hơn nhiệt độ nung đến sự hình thành oxit hỗn hợp, tiến hành nung mẫu gel các nhiệt độ 350, 450, 500, 650 và 750oC trong 2 giờ. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X trên Hình 3.2 cho thấy hỗn hợp nano oxit Fe2O3 – TiO2 (α – Fe2O3 dạng , TiO2 dạng anatat) bắt đầu hình thành ở nhiệt độ 350oC, khi nâng nhiệt độ nung lên 450, 500oC thu được hỗn hợp nano oxit Fe2O3 – TiO2 (α – Fe2O3 dạng, TiO2 dạng anatat). Khi nâng nhiệt độ lên 650oC và 750oC xuất hiện pha α – Fe2O3 và TiO2 (anatat) là chính còn có lẫn một phần pha TiO2 (rutin). Điều này là do khi tăng nhiệt độ nung, xảy ra hiện tượng chuyển pha TiO2 (anatat) sang pha TiO2 (rutin). Nhiệt độ nung khá thấp ở 450oC được lựa chọn để tổng hợp hỗn hợp nano oxit Fe2O3 – TiO2 (TiO2 dạng anatat) kích thước nhỏ, do khả năng hấp phụ cao. Đã nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng như: Ảnh hưởng của pH, ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel và tỷ lệ kim loại Fe/Ti đến sự hình thành pha oxit hỗn hợp Fe2O3 – TiO2 (TiO2 dạng anatat). Các kết quả phân tích nhiễu xạ tia X chỉ ra rằng sự hình thành pha oxit hỗn hợp Fe2O3 – TiO2 (TiO2 dạng anatat) phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Điều kiện tối ưu để điều chế Fe2O3 – TiO2: pH tạo gel là 1 (trong điều kiện pH = 1 là pH tồn tại của hai muối Ti3+ và Fe3+ thuận lợi cho quá trình phản ứng mà không phải chỉnh pH để tránh hiện tượng kết tủa cục bộ ảnh hưởng đến độ đồng đều của sản phẩm), nhiệt độ tạo gel 80oC, tỷ lệ mol Fe/Ti = 1:1, tỷ lệ mol (Fe3++Ti3+)/PVA = 1:3, nhiệt độ nung 450oC trong 2 giờ. Ảnh TEM của mẫu tổng hợp ở điều kiện tối ưu được chỉ ra trên Hình 3.3. 3