Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường" được nghiên cứu với mục tiêu: Tổng hợp vật liệu zeolit ZSM-5 từ nguyên liệu tự nhiên trong nước, nâng cao hiệu quả tổng hợp bằng việc sử dụng chất hỗ trợ tạo cấu trúc từ dịch chiết tự nhiên; Ứng dụng vật liệu zeolit ZSM-5 để xử lý ô nhiễm môi trường trên hai đối tượng gồm ion kim loại nặng Pb2+ và Iốt phóng xạ trong dung dịch nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM NGUYỄN DUY KHÔI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZEOLITE ZSM-5 TỪ NGUỒN NGUYÊN LIỆU TRONG NƯỚC, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 9.44.01.13 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam và Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Đinh Văn Phúc 2. TS. Nguyễn Trọng Hùng Phản biện luận án : Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp viện chấm luận án tiến sĩ họp tại VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM. Vào hồi giờ ngày tháng năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Trung tâm Đào tạo hạt nhân
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Vật liệu zeolit ZSM-5 có nhiều ứng dụng quan trọng như làm chất xúc tác cho quá trình chuyển hóa dầu thành xăng, hấp phụ để xử lý ô nhiễm môi trường, tách chất trong hóa dược, v.v. Tuy nhiên, những khó khăn để tổng hợp zeolit ZSM-5 trên quy mô lớn để triển khai ứng dụng chủ yếu do giá thành nguyên vật liệu và các yếu tố làm ô nhiễm môi trường trong quá trình tổng hợp. Vì vậy, cần thiết có những nghiên cứu về tổng hợp zeolit ZSM-5 từ nguyên liệu tự nhiên có giá thành thấp, thân thiện với môi trường nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao. Vật liệu tổng hợp từ nguyên liệu tự nhiên thường ít chứa các hợp chất độc hại giúp đảm bảo an toàn khi ứng dụng trong các lĩnh có liên quan mật thiết đến sức khỏe như y tế, môi trường. Hơn nữa, tính chất và cấu trúc vật liệu có thể thay đổi đa dạng phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và điều kiện tổng hợp, mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi hơn. Hiện nay, xử lý môi trường đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe và duy trì ổn định sự bền vững của môi trường tự nhiên. Cụ thể, xử lý môi trường giúp loại bỏ hoặc giảm thiểu các chất độc hại, ô nhiễm trong môi trường như kim loại nặng, chất hữu cơ, chất thải phóng xạ. Điều này góp phần làm giảm nguy cơ gây ra các vấn đề về sức khỏe con người bao gồm các bệnh liên quan đến không khí, nước, và đất. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolit ZSM-5 từ nguồn nguyên liêu tự nhiên trong nước, định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường có nhiều ý nghĩa thực tiễn, gắn liền với thực trạng nhức nhối của xã hội, cũng như mở ra tiềm năng thương mại hóa sản phẩm zeolit ZSM-5 từ các nguồn nguyên liệu trong nước. Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, định
hướng ứng dụng trong xử lý môi trường” nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường trong quá trình chế tạo vật liệu và hướng đến xử lý các chất ô nhiễm môi trường phổ biến hiện nay. 2. Mục tiêu của luận án 1. Tổng hợp vật liệu zeolit ZSM-5 từ nguyên liệu tự nhiên trong nước, nâng cao hiệu quả tổng hợp bằng việc sử dụng chất hỗ trợ tạo cấu trúc từ dịch chiết tự nhiên. 2. Ứng dụng vật liệu zeolit ZSM-5 để xử lý ô nhiễm môi trường trên hai đối tượng gồm ion kim loại nặng Pb2+ và Iốt phóng xạ trong dung dịch nước. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án 1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolit ZSM-5 từ đất sét bentonit Lâm Đồng, Việt Nam. ✓ Nghiên cứu, phân tích thành phần hóa học, thành phần pha của nguyên liệu đất sét bentonit Lâm Đồng. ✓ Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng chi tiết của điều kiện già hóa, thủy nhiệt đến sự tạo thành, kết tinh vật liệu zeolit ZSM-5. ✓ Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp phân tích hiện đại để xác định các đặc trưng (tính chất) của vật liệu như cấu trúc, hình thái, diện tích bề mặt, từ đó đưa ra điều kiện tổng hợp vật liệu tối ưu. 2. Nghiên cứu sử dụng nước luộc bắp để tổng hợp zeolit ZSM-5 trong vai trò chất hỗ trợ tạo cấu trúc. ✓ Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng giữa tỉ lệ chất tạo cấu trúc thương mại TPA-Br và nước luộc bắp (chất hỗ trợ tạo cấu trúc), từ đó đưa ra điều kiện tổng hợp tối ưu. 3. Sử dụng phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS để nghiên cứu khả năng hấp thu Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM-5. ✓ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM-5.
✓ Nghiên cứu đẳng nhiệt và động học của quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM-5. ✓ Bàn về cơ chế hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM- 5. 3. Sử dụng phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) và thiết bị đo liều để lần lượt đánh giá khả năng hấp phụ Iốt không phóng xạ và phóng xạ bởi vật liệu zeolit ZSM-5. ✓ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng, động học, đẳng nhiệt hấp phụ Iốt không phóng xạ bởi vật liệu zeolit ZSM-5. ✓ Đánh giá khả năng xử lý Iốt phóng xạ trong dung dịch nước bởi vật liệu zeolit ZSM-5 dạng hạt composit theo phương pháp hấp phụ cột, dựa trên thiết bị đo liều tại Bệnh viện Quân Y 175. 4. Ý nghĩa khoa học Về mặt lý thuyết, đây là một hướng nghiên cứu khoa học cơ bản trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu, và hấp phụ để xử lý môi trường. Kết quả nghiên cứu góp phần về mặt lý luận cho việc giải thích về sự hình thành, kết tinh vật liệu zeolit ZSM-5. Đồng thời lý giải về cơ chế của quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ và Iốt bởi vật liệu zeolit ZSM-5. 5. Ý nghĩa thực tiễn Về mặt thực tiễn, những kết quả của đề tài sẽ đóng góp cho việc tạo ra vật liệu từ nguồn nguyên liệu tự nhiên trong nước, có khả năng triển khai tổng hợp và ứng dụng trong thực tế để xử lý ô nhiễm nguồn nước do hoạt động sản xuất công nghiệp cũng như sử dụng Iốt phóng xạ trong điều trị ung thư tuyến giáp. 6. Điểm mới của luận án 1. Đã đưa ra được quy trình tối ưu để tổng hợp vật liệu Zeolite ZSM- 5 từ nguồn nguyên liệu đất sét bentonit Lâm Đồng, trong đó có khảo
sát chi tiết sự ảnh hưởng của điều kiện già hóa và thủy nhiệt đến sự hình thành và kết tinh vật liệu. 2. Đã nghiên cứu sử dụng thành công nước luộc bắp làm chất hỗ trợ tạo cấu trúc nhằm giảm thiểu hóa chất tinh khiết TPA-Br gây ô nhiễm môi trường, đồng thời làm tăng hiệu suất của quá trình tổng hợp vật liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế. 3. Xử lý thành công và hiệu quả ion kim loại Pb2+ trong dung dịch nước bằng phương pháp hấp phụ. Bản chất của các quá trình hấp phụ đã được nghiên cứu và chứng minh bằng các mô hình đẳng nhiệt và động học, kết hợp với các phương pháp phân tích hiện đại. 4. Đánh giá được khả năng hấp phụ Iốt phóng xạ trên vật liệu zeolit ZSM-5 dạng hạt theo phương pháp cột, hướng đến xử lý nước thải phóng xạ tại các cơ sở y tế có điều trị ung thư tuyến giáp. 7. Hướng phát triển của luận án Nghiên cứu hoàn thiện quy trình tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ bentonite, có sử dụng nước luộc bắp làm chất hỗ trợ tạo cấu trúc ở quy mô công nghiệp, hướng đến thương mại hóa và thay thế các nguồn zeolit thương mại nhập khẩu phổ biến trên thế giới. Bên cạnh đó, tiếp tục nghiên cứu khả năng xử lý các chất gây ô nhiễm môi trường ở dạng khí và dung dịch của vật liệu zeolite ZSM-5 tổng hợp được. 8. Bố cục của luận án: Luận án được trình bày theo ba chương: Chương 1: Trình bày tổng quan các nội dung liên quan đến luận án, những nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương 2: Trình bày đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Trình bày kết quả nghiên cứu và thảo luận. Ngoài ra, luận án còn có mục lục, danh sách bảng, danh sách hình, ký hiệu và chữ viết tắt, phụ lục (gồm 146 trang) và 223 tài liệu tham khảo (bao gồm cả tiếng Việt và tiếng Anh).
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG VỀ CẤU TRÚC ZEOLIT ZSM-5 Một số thông tin đặc trưng về cấu trúc zeolit ZSM-5 được trình bày trong Bảng 1.1. Bảng 1.1. Đặc trưng về cấu trúc của zeolit ZSM-5 Đặc trưng Phân loại Thông tin khác Hệ không gian Orthorhombic a = 20,1, b = 19,9, c = Nhóm không gian Pnma 13,4 Å Đơn vị cấu trúc thứ Đỉnh vòng 5-1 là tứ diện Vòng 5-1 cấp [SiO4]4- và [AlO4]5- 0,53 x 0,56 nm Kênh thẳng đứng 0,51 x 0,55 nm Kênh hình sin (zigzac) Kích thước kênh Kích thước giao giữa 2 0,64 nm kênh 1.2. CÁC NGUYÊN LIỆU CÓ NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN TRONG TỔNG HỢP ZEOLIT ZSM-5 Hình 1.1. Các nguồn nguyên liệu tự nhiên trong tổng hợp zeolit ZSM-5 1.3. CHẤT TẠO CẤU TRÚC TRONG TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZEOLIT ZSM-5
Các loại chất tạo cấu trúc (CTCT) được nghiên cứu sử dụng trong tổng hợp zeolit ZSM-5 được trình bày trong Hình 1.2. Hình 1.2. Phân loại, vai trò các loại CTCT trong tổng hợp zeolit ZSM-5 1.4. ỨNG DỤNG CỦA ZEOLIT ZSM-5 TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Zeolit ZSM-5 đã được nghiên cứu xử lý trên đa dạng đối tượng chất ô nhiễm gồm có chất màu hữu cơ, chất phóng xạ, và kim loại nặng (Hình 1.3). Hình 1.3. Ứng dụng zeolit ZSM-5 trong lĩnh vực xử lý môi trường 1.5. NGHIÊN CỨU VỀ SỰ HẤP PHỤ 1.5.1. Cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ: Langmuir, Freundlich và Sips. 1.5.2. Động học hấp phụ
Các mô hình động học hấp phụ: mô hình động học giả bậc 1, mô hình động học giả bậc 2 và mô hình khuếch tán nội hạt. Tóm lại, những thông tin thu được trong chương Tổng quan nghiên cứu về vật liệu zeolite ZSM-5 cho thấy: (1) Đa dạng các nguồn nguyên liệu tự nhiên thân thiện với môi trường đã được nghiên cứu và tổng hợp thành công zeolit ZSM-5 như tro sinh học, khoáng tự nhiên và đất sét. (2) Zeolit ZSM-5 được tổng hợp thành công từ việc sử dụng nhiều loại CTCT khác nhau, trong đó đặc biệt có các CTCT có nguồn gốc tự nhiên như đường, tinh bột, xenlulozơ. Các chất này không chỉ tạo mao quản trung bình mà còn tham gia vào tạo khung cấu trúc, giảm hàm lượng CTCT thương mại trong quá trình tổng hợp vật liệu. (3) Zeolit ZSM-5 đã được nghiên cứu ứng dụng hấp phụ trên đa dạng đối tượng chất ô nhiễm độc hại gồm chất màu, kim loại, và chất phóng xạ. Các nghiên cứu về cơ chế hấp phụ còn ít, đặc biệt là cơ chế hấp phụ kim loại nặng. Hơn nữa, zeolit ZSM-5 chỉ mới được bắt đầu nghiên cứu xử lý Iốt phóng xạ dạng phân tử Iốt hữu cơ (CH3I) trong những năm gần đây, chưa có các nghiên cứu về xử lý Iốt phóng xạ dạng ion I- trong dung dịch nước. CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là vật liệu zeolit ZSM-5 được tổng hợp các nguồn nguyên liệu tự nhiên (tiền chất cung cấp Si, Al, và CTCT) có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Pb2+ và Iốt trong dung dịch nước. 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Nghiên cứu tổng hợp zeolit ZSM-5 từ đất sét bentonit, nước luộc bắp.
2. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện già hóa, thủy nhiệt đến sự tạo thành, kết tinh zeolit ZSM-5. 3. Sử dụng phương pháp AAS để nghiên cứu khả năng hấp thu ion kim loại Pb2+ và UV-Vis + đo liều để xác định khả năng hấp thu, xử lý Iốt bởi zeolit ZSM-5. Quy trình tổng hợp zeolit ZSM-5 trong trường hợp có và không dùng nước luộc bắp được trình bày trên Sơ đồ 2.1 và Sơ đồ 2.2. Nghiên cứu sự hấp phụ ion Pb2+ và Iốt bởi vật liệu zeolit ZSM-5 được mô tả theo Sơ đồ 2.3 Sơ đồ 2.1 Sơ đồ 2.2 50 ml dung dịch chứa 0,1 gam Khuấy 250 Pb2+/I- (nồng độ đầu zeolit vòng/phút đến khi C0) ZSM-5 hấp phụ cân bằng Ly tâm, lọc, tách lấy phần dung dịch, xác định nồng độ Pb2+/I- sau hấp phụ bằng phương pháp F-AAS/UV-Vis Sơ đồ 2.3 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa trên máy hấp thụ nguyên tử ZA3300 để xác định hàm lượng nguyên
tố Pb trong mẫu cũng như nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb bởi vật liệu zeolit ZSM-5. Trong khi đó, phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis được sử dụng để đánh giá nồng độ Iốt trước và sau hấp phụ thông qua phương pháp tạo màu bằng chỉ thị leuco crystal violet. Bên cạnh đó, với Iốt phóng xạ, chúng tôi thực hiện hấp phụ trực tiếp bằng phương pháp cột tại Viện Ung bướu và Y học hạt nhân, Bệnh viện Quân Y 175. Hoạt độ phóng xạ được đánh giá bằng thiết bị đo liều ISOMED Calibrator 1010, từ đó xác định được khả năng hấp phụ Iốt phóng xạ trong dung dịch nước. 2.4. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ Các thiết bị sử dụng trong luận án: Máy AAS, máy UV-Vis, máy đo liều, tủ sấy, lò nung. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZEOLIT ZSM-5 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian già hóa (GH) đến thành phần pha • Nhiệt độ phòng (RT), thời gian 12h, 36h, 60h Giản đồ XRD (Hình 3.1) cho thấy: - Mẫu GH-RT-12h gồm 2 pha: Zeolit ZSM-5 + zeolit analcime.
- Mẫu GH-RT-36 cũng gồm 2 pha: Zeolit ZSM-5 + zeolit analcime. - Mẫu GH-RT-60h gồm 1 pha duy nhất: ZSM-5. Kết hợp ảnh SEM  ZSM-5 có dạng hình khối chữ nhật, zeolit analcime dạng hình cầu. Tăng thời gian GH ở nhiệt độ phòng thúc đẩy sự chuyển pha tinh thể từ ZSM-5 sang analcime. • Nhiệt độ cao (60 – 80 °C), thời gian 12h, 36h, 60h. Giản đồ XRD (Hình 3.2) cho thấy: - Mẫu GH-60°C ở 3 mốc thời gian 12h, 36h, 60h chỉ gồm 01 pha zeolit ZSM-5 duy nhất. Kết quả này phù hợp với ảnh SEM  GH nhiệt độ cao cần ít thời gian hơn để thu được đơn pha ZSM-5, đồng nghĩa nhiệt độ GH có ảnh hưởng lớn đến tốc độ tạo mầm tinh thể, dẫn đến thu được 100 % đơn pha ZSM-5. Kết quả tương tự đã được chứng minh ở nhiệt độ GH 80 °C. 3 điều kiện GH được chọn để khảo sát tiếp tục gồm: RT-12h, 60°C-12h, và 80°C-12h. 3.1.2. Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt (TN) đến thành phần pha
Từ kết quả phân tích XRD + SEM trong phần 3.1.1, ta đã biết được dạng hình khối chữ nhật ứng với zeolit ZSM-5, dạng hình cầu ứng với zeolit analcime. Qua đó, trong Hình 3.3 ta thấy có sự chuyển pha rõ rệt từ zeolit analcime sang ZSM-5 khi tăng thời gian TN. Như vậy, cần thủy nhiệt ít nhất 18h để thu được đơn pha ZSM-5. Kết quả tương tự đã được chứng cho các mẫu vật liệu GH- RT-60h và GH-60°C-12h. Kết hợp với một số tính chất khác được trình bày trong Bảng 3.1  Điều kiện tối ưu tổng hợp zeolit ZSM-5 như sau: GH-RT-60h và TN-170°C-18h. Bảng 3.1. Một số tính chất của các mẫu zeolit tổng hợp ở các điều kiện GH khác nhau. Tính chất GH-RT-60h GH-60°C-12h GH-80°C-12h Diện tích bề 366 382 380 mặt (m2/g) Mức độ kết tinh 87 77 78 Khối lượng 0,25 0,26 0,31 zeolit (g)
3.1.3. Hiệu quả của nước luộc bắp (NLB) trong vai trò chất hỗ trợ tạo cấu trúc • Sử dụng phương pháp HPLC-MS xác định thành phần NLB Từ Hình 3.4 ta thấy được các phân mảnh của hợp chất đường đôi (M = 342), đường đơn (M = 180), và tinh bột (162) tại thời gian lưu khoảng 1,22 phút. Kết hợp với tham khảo tài liệu chứng minh thành phần chính của NLB gồm đường và tinh bột. • Sự thay đổi thành phần pha, kích thước lỗ xốp, và hiệu quả tổng hợp zeolit ZSM-5 từ NLB.
Giản đồ XRD (Hình 3.5) cho thấy khối lượng TPA-Br tối thiểu cần là 0,15 g để tổng hợp zeolit ZSM-5 từ NLB. Như vậy, khối lượng TPA-Br đã giảm đáng kể từ 1,18 g xuống còn 0,15 g. Mặt khác từ Bảng 3.2, ta thấy khối lượng zeolit tăng hơn gấp đôi, từ 0,23 g lên 0,60 g. Điều đó đã chứng minh hiệu quả của NLB trong vai trò CTCT. TPA-Br Nước cất NLB Thành Mẫu msp (g) (g) (mL) (mL) phần pha Gốc 1,18 25 0 0,23 ZSM-5 1 0,59 25 0 0,20 ZSM-5 2 0,59 0 25 0,66 ZSM-5 3 0,29 25 0 0,11 ZSM-5 4 0,29 0 25 0,61 ZSM-5 5 0,15 25 0 0,03 Analcime 6 0,15 0 25 0,60 ZSM-5 Kết quả XRD (Hình 3.5) được liệt kê trong Bảng 3.2 hoàn toàn trùng khớp với phổ FTIR (Hình 3.6). Pha ZSM-5 chỉ được tạo ra khi sử dụng 0,15 g TPA-Br + 25 mL NLB.
Từ Bảng 3.3 cho thấy, vật liệu có diện tích bề mặt không thay đổi. Tuy nhiên mẫu sử dụng NLB tăng đáng kể kích thước lỗ xốp trung bình từ 2,5 nm lên 3,8 nm. Điều đó cho thấy hiệu quả của NLB trong việc tạo ra lỗ xốp kích thước trung bình. Hơn nữa, thể tích lỗ xốp cũng tăng từ 0,18 lên 0,21 cm3/g. Bảng 3.3. Độ xốp mẫu zeolit sử dụng NLB trong quá trình tổng hợp 1,18 g 0,59 g TPA-Br Thông tin TPA + 25 mL NLB Kích thước lỗ xốp (nm) 2,5 3,8 Diện tích bề mặt (m2/g) 379,9 380,2 Thể tích lỗ xốp (cm3/g) 0,18 0,21 3.2. NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ Pb TRÊN ZEOLIT ZSM-5 2+ 3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Pb2+ Ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ và khối lượng vật liệu hấp phụ đến quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM- 5 đã được khảo sát và điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ được trình bày ở Bảng 3.4. Bảng 3.4. Các số liệu đầu vào nghiên cứu cân bằng hấp phụ Thông số Giá trị pH 5,5 Thời gian (phút) 480 KLVL (gam) 0,1 3.2.2. Đẳng nhiệt hấp phụ Cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ được tiến hành trong điều kiện tối ưu (Bảng 3.4). Các dữ liệu thực nghiệm được phân tích bởi 3 mô hình đẳng nhiệt: Langmuir, Freundlich, Sips. Kết quả cho thấy: - Mô hình Sips là mô hình mô tả tốt nhất quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM-5 - Từ phương trình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại Pb2+ của zeolit ZSM-5 tổng hợp từ đất sét bentonit là 48,08 mg/g. Giá trị này cao hơn nhiều so với zeolit ZSM-5 thương mại của công
ty Lanzhou, Trung Quốc (20,1 mg/g); ACS, Mỹ (14,39 mg/g) và khá tương đồng với zeolit ZSM-5 tổng hợp từ đất sét tự nhiên của Trung Quốc (46,86 mg/g). Kết quả phân tích trong luận án cũng cho thấy giá trị dung lượng hấp phụ cực đại có thể có sự tương quan với diện tích bề mặt của vật liệu. Diện tích bề mặt cao thì dung lượng hấp phụ cực đại cao. 3.2.3. Động học hấp phụ Nghiên cứu động học hấp phụ được phân tích bởi ba mô hình động học: biểu kiến bậc một, biểu kiến bậc 2 và khuếch tán nội hạt. Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM-5 tuân theo mô hình động học khuếch tán nội hạt. Mô hình này chỉ ra rằng, quá trình hấp phụ ion Pb2+ bởi vật liệu gồm 3 giai đoạn: (1) khuếch tán bề mặt; (2) khuếch tán nội hạt (mao quản); (3) cân bằng hấp phụ. Giá trị C khác 0 tính được từ mô hình này cũng cho thấy quá trình hấp phụ có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau. 3.2.5. Bàn về cơ chế hấp phụ ion kim loại Pb2+ Cơ chế hấp phụ được dự đoán qua cấu trúc vật liệu, các mô hình đẳng nhiệt, kết quả phân tích phổ FTIR, BET-BJH và SEM- EDX-mapping. Kết hợp kết quả phân tích trong nghiên cứu này và tham khảo một số nghiên cứu tương tự cho thấy, quá trình hấp phụ ion kim loại Pb2+ bởi vật liệu zeolit ZSM-5 có thể xảy ra theo nhiều cơ chế khác nhau như: trao đổi ion, tĩnh điện và khuếch tán lỗ
xốp. 3.3. NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ IỐT KHÔNG PHÓNG XẠ TRÊN ZEOLIT ZSM-5 3.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Iốt không phóng xạ Ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ và khối lượng vật liệu hấp phụ đến quá trình hấp phụ Iốt bởi vật liệu zeolit ZSM-5 đã được khảo sát và điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ được trình bày ở Bảng 3.5. Bảng 3.5. Các số liệu đầu vào nghiên cứu cân bằng hấp phụ Thông số Giá trị pH 2,0 Thời gian (giờ) 42 KLVL (gam) 0,1 3.3.2. Đẳng nhiệt hấp phụ Cân bằng đẳng nhiệt hấp phụ được tiến hành trong điều kiện tối ưu (Bảng 3.5). Các dữ liệu thực nghiệm được phân tích bởi 3 mô hình đẳng nhiệt: Langmuir, Freundlich. Kết quả cho thấy: - Mô hình Freundlich là mô hình mô tả tốt nhất quá trình hấp phụ Iốt bởi vật liệu zeolit ZSM-5 - Từ phương trình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại Pb2+ của zeolit ZSM-5 tổng hợp từ đất sét bentonit là 3,35 mg/g. Hằng số tách SL tính được trong khoảng nồng độ từ 10 – 50 mg/L lớn hơn 0 và nhỏ hơn 1 cho thấy quá trình hấp phụ là thuận lợi. 3.3.3. Động học hấp phụ Nghiên cứu động học hấp phụ được phân tích bởi ba mô hình động học: biểu kiến bậc một, biểu kiến bậc 2 và khuếch tán nội hạt. Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ Iốt bởi vật liệu zeolit ZSM-5 tuân theo mô hình động học khuếch tán nội hạt. 3.4. NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ IỐT PHÓNG XẠ (131I) TRÊN
ZEOLIT ZSM-5 3.4.1. Cơ sở pha chế dung dịch Iốt phóng xạ Dựa trên phát đồ điều trị đối với từng nhóm bệnh nhân, từ đó ước lượng hoạt độ phóng xạ trong nước thải theo lý thuyết (Bảng 3.6). Hoạt độ phóng xạ trong mẫu pha chế cao hơn thực tế để khảo sát khả năng xử lý trong trường hợp quá tải về số lượng bệnh nhân. Bảng 3.6. Các số liệu đầu vào nghiên cứu cân bằng hấp phụ Stt Nội dung Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4 Nhóm 5 Hoạt độ điều 1 30 50 100 150 200 trị (mCi) Hoạt độ thải 2 (mCi) trong 25,5 42,5 85 127,5 170 24 giờ đầu Nước thải 3 400 400 400 400 400 (lít/ngày) Nồng độ 4 0,06375 0,10625 0,2125 0,31875 0,425 (mCi/lít) Nồng độ 5 2358750 3931250 7862500 11793750 15725000 (Bq/lít) Giới hạn hoạt độ gamma 6 trong nước 1x107 1x107 1x107 1x107 1x107 thải (Bq/năm)[71] Giới hạn tổng hoạt độ beta và 7 1 1 1 1 1 alpha trong nước thải (Bq/lít) Nồng độ 8 0,06375 0,10625 0,2125 0,31875 0,425 (µCi/mL) 3.4.2. Thông số thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ Iốt phóng xạ bởi zeolit ZSM-5
Quá trình pha chế Iốt phóng xạ và thực hiện hấp phụ trên cột được trình bày trong Hình 3.7. Các thông số thí nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ được trình bày sau đây: - Hoạt độ phóng xạ: 2,36 µCi/mL - Thể tích dung dịch phóng xạ: 50 mL - Hình dạng, kích thước vật liệu: Hạt hình cầu đường kính 3-4 mm - Khối lượng vật liệu: 10 gam - Tốc độ nhỏ giọt: 1 mL/phút - Số vòng lặp: 6 Giá trị hoạt độ phóng xạ ban đầu của mẫu dung dịch pha chế được và các mẫu dung dịch sau các chu kỳ hấp phụ được phân tích trên thiết bị đo liều Dose Calibrator ISOMED 1010 của hãng MED (Đức) đặt tại Bệnh viên Quân y 175. Hình 3.8 trình bày hoạt độ phóng xạ của mẫu trước và sau tổng cộng 7 chu kỳ hấp phụ.