Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong nước sinh hoạt

Tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước<br /> nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn trong<br /> nước sinh hoạt<br /> Phạm Ngọc Chức<br /> <br /> Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Khoa Hóa học<br /> Chuyên ngành: Hóa vô cơ; Mã số: 60 44 25<br /> Người hướng dẫn: PGS.TS. Lưu Minh Đại<br /> Năm bảo vệ: 2011<br /> Abstract. Tổng quan về công nghệ nano; nước ngầm và sự ô nhiễm; các giải pháp<br /> xử lý As, Fe, Mn; một số phương pháp điều chế vật liệu nano; tổng hợp vật liệu<br /> oxit sắt và vật liệu oxit mangan kích thước nanomet. Trình bày các phương pháp<br /> nghiên cứu và thực nghiệm: phương pháp tổng hợp vật liệu; các phương pháp<br /> nghiên cứu đặc trưng vật liệu; phương pháp hấp phụ; phương pháp xác định sắt,<br /> mangan và asen trong dung dịch. Đưa ra kết quả và thảo luận: vật liệu Mn2O3 –<br /> Fe2O3; đánh giá khả năng hấp phụ As trên vật liệu Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá<br /> khả năng hấp phụ sắt trên oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3; đánh giá khả năng hấp<br /> phụ mangan trên oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3; một số yếu tố ảnh hưởng đến khả<br /> năng hấp phu của vật liệu; vật liệu oxit phức hợp hệ Mn – Fe trên nền cát thạch<br /> anh (TA).<br /> <br /> Keywords. Hóa học vô cơ; Nước sinh hoạt; Công nghệ Nano<br /> Content:<br /> <br /> Vật liệu oxit sắt, oxit mangan kích thước nanomet được tổng hợp bằng nhiều<br /> phương pháp khác nhau nhằm điều chế oxit sắt ở nhiệt độ thấp như: phương pháp<br /> sol – gel, phương pháp thủy nhiệt, nhiệt phân trong dung môi không nước, phương<br /> pháp đốt cháy gel polime.... Tùy theo nhu cầu ứng dụng mà sử dụng các phương<br /> pháp điều chế để tạo ra sản phẩm có những đặc trưng riêng về hình thái và tính<br /> chất.<br /> <br /> Oxit α – Fe2O3 và γ – Fe2O3 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xúc<br /> tác, làm chất màu, sensor, xúc tác hấp phụ để xử lý kim loại nặng...<br />  Oxit Mn2O3 và MnO2 được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu vì ứng dụng<br /> phong phú của chúng trong nhiều lĩnh vực, MnO2 được chế tạo và ứng dụng trong<br /> lĩnh vực hấp phụ. Mn2O3 được xử dụng làm vật liệu xúc tác cho quá trình xử lý CO<br /> và NOx từ khí thải, xúc tác cho quá trình đốt cháy metan và ứng dụng làm chất hấp<br /> phụ xử lý môi trường ....<br /> <br /> Vật liệu oxit phức hợp Mn – Fe được nghiên cứu và ứng dụng xử lí asen với<br /> qmax = 1,77mmol/g đối với As (III) và 0,93 mmol/g đối với As (V) ở pH = 5.<br /> <br /> Dựa trên cơ sở phân tích và ứng dụng vật liệu oxit sắt, oxit mangan kích<br /> thước nanomet trong lĩnh vực xử lí môi trường vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Tổng<br /> hợp oxit hỗn hợp hệ Mn – Fe kích thước nanomet ứng dụng để xử lý As, Fe và Mn<br /> trong nước sinh hoạt” luận văn được thực hiện với các nội dung chính:<br /> <br /> - Tổng hợp oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 kích thước nanomet.<br /> <br /> - Xác định các đặc trưng của vật liệu tổng hợp bằng phương pháp XRD, SEM,<br /> BET.<br /> <br /> - Nghiên cứu khả năng hấp phụ As, Fe, Mn trên vật liệu oxit hỗn hợp Mn 2O3<br /> – Fe2O3.<br /> <br /> - Nghiên cứu khả năng hấp phụ As, Fe, Mn trên vật liệu oxit hỗn hợp Mn 2O3<br /> – Fe2O3 trên nền cát thạch anh.<br /> <br /> Từ đó chúng tôi thu được kết quả sau đây:<br /> <br /> - Bằng phương pháp đốt cháy gel đã tổng hợp được oxit hỗn hợp Fe 2O3 –<br /> Mn2O3 ở nhiệt độ 5500C, kích thước hạt cỡ 25nm, với diện tích bề mặt là<br /> 68,5 m2/g.<br /> <br /> - Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha oxit phức hợp Fe2O3 –<br /> Mn2O3 như: nhiệt độ nung, pH, tỷ lệ mol (Mn2+ + Fe3+)/PVA, tỷ lệ mol<br /> Fe/Mn. Đối với pha oxit hỗn hợp Fe2O3 – Mn2O3, các điều kiện thích hợp là:<br />  nhiệt độ nung 5500C, tỷ lệ mol Fe/Mn = 1:1, pH = 4, tỷ lệ mol (Mn 2+ +<br /> Fe3+)/PVA = 1:3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu tối ưu<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Ảnh SEM của mẫu nung ở 5500C<br /> <br /> - Đã ứng dụng oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3 có kích thước nanomet để hấp<br /> phụ As(III), As(V), Fe(III) và Mn(II) ở pH = 7 theo mô hình hấp phụ đẳng<br /> nhiệt Langmuir và xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của oxit phức<br />  hợp Fe2O3 – Mn2O3 có kích thước nanomet đối với As(III) là 41,117 mg/g,<br /> đối với As(V) là 48,437 mg/g, đối với Fe(III) là 111,04mg/g, đối với Mn(II)<br /> là 98,09mg/g.<br /> <br /> - Đã tổng hợp oxit phức hợp Fe2O3 – Mn2O3/cát thạch anh và ứng dụng xử lí<br /> sắt, mangan, asen. Dung lượng hấp phụ cực đại tương ứng đối với As(III),<br /> As(V), Fe(III) và Mn(II) lần lượt là: 1,36; 1,53; 3,19; 2,62mg/g.<br /> <br /> Vật liệu oxit hỗn hợp Mn2O3 – Fe2O3 kích thước nanomet hấp phụ kim loại<br /> nặng là rất khả quan. Tuy nhiên, để triển khai vào thực tiễn cần tìm kiếm chất<br /> mang thích hợp để phân tán các oxit hỗn hợp này. Trong số các chất mang thì cát<br /> thạch anh có ưu điểm là: thành phần khá tinh khiết, cấu trúc bền vững, không bị<br /> biến dạng, chịu áp lực cao, ít bị mài mòn trong quá trình sử dụng, kích thước hạt đa<br /> dạng… và đặt biệt là giá thành thấp. Do đó, chúng tôi chọn chất mang để phân tán<br /> oxit là cát thạch anh, vì các thiết bị hấp phụ tách asen, sắt và mangan cần giải<br /> quyết bài toán công suất thích hợp và chất lượng nước sau xử lý hay nói cách khác<br /> là kích thước vật liệu đủ lớn để đảm bảo tốc độ dòng không gây tắc nghẽn dòng<br /> chảy. Cát thạch anh có kích thước hạt 0,5 – 1 mm là thích hợp và được lựa chọn và<br /> có khả năng ứng dụng thực tế.<br /> <br /> References.<br /> <br /> TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT<br /> <br /> 1. Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội (1999), Giáo trình Hoá học<br /> môi trường cơ sở, Trường ĐHKHTN.<br /> <br /> 2. Lê Văn Khoa (1995), Môi trường và ô nhiễm, NXB Giáo dục.<br /> <br /> 3. Đặng Kim Chi (1998), Hoá học môi trường, NXBKHKT Hà Nội.<br /> <br /> 4. Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường (1994), Tổng quan hiện trạng môi<br /> trường Việt Nam, Hà Nội.<br /> 5. Lưu Đức Hải, Đỗ Văn ái, Võ Công Nghiệp, Trần Mạnh Liễu (2005), Chiến<br /> lược quản lý và giảm thiểu tác động ô nhiễm asen tới môi trường và sức khoẻ<br /> con người, Tuyển tập hội thảo Quốc tế “Ô nhiễm asen: Hiện trạng, tác động đến<br /> sức khoẻ con người và giải pháp phòng ngừa”, Hà Nội.<br /> <br /> 6. Lê Văn Cát (2002), Hấ p phụ và trao đổ i ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước<br /> thải, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.<br /> 7. Nguyễn Hữu Phú (1998), Các tạp chất ô nhiễm thường gặp trong các nguồn<br /> nước, Hội thảo quốc gia: Hóa học và công nghệ hóa học với trương trình nước<br /> sạch và vệ sinh môi trường. Ban chỉ đạo quốc gia – Viện hóa học.<br /> 8. Nguyễn Hữu Phú (2003), Hóa lý và hóa keo, nhà xuất bản KHKT, Hà Nô ̣i.<br /> 9. Đinh Hải Hà (2010), Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường, Nhà xuất<br /> bản Khoa học – Kỹ thuật, Hà Nội.<br /> 10. Nguyễn Đình Bảng (2004), Các phương pháp xử lý nước, nước thải. Khoa Hóa<br /> học – Trường Đại học KHTN – Đại học QGHN.<br /> 11. Phan Văn Tường (2004), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm. Khoa Hóa<br /> học – Trường Đại học KHTN – Đại học QGHN.<br /> 12. Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hóa học nano – công nghệ nền và vật liệu nguồn.<br /> Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.<br /> 13. Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích Vật lý và Hoá lý,<br /> Trường ĐHKHTN.<br /> 14. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008),<br /> “Tổng hợp Mn2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel ở nhiệt<br /> độ thấp”, Tạp chí hóa học, T.46 (4), Tr.451 – 455.<br /> 15. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm (2009), “Tổng hợp α –<br /> Fe2O3 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và sử dụng để hấp<br /> phụ asen”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Xúc tác – Hấp phụ toàn quốc lần thứ 5,<br /> Tr.213 – 216.<br /> 16. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Ninh (2008),<br /> “Tổng hợp MnO2 kích thước nanomet bằng phương pháp bốc cháy gel và<br /> nghiên cứu khả năng sử dụng MnO2 kích thước nanomet để hấp phụ asenic”,<br /> Tạp chí Hóa học, T46 (2A),Tr451 – 455.<br /> 17. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan (2009), “Tổng hợp γ – Fe2O3 kích thước<br /> nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và nghiên cứu khả năng hấp phụ sắt,<br /> mangan, asen”, Tạp chí Hóa học, T.47 (6A), Tr.260 – 264.<br /> 18. Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn Thị Tố Loan (2009), “Nghiên cứu<br /> khả năng hấp phụ asen, mangan và sắt bằng α – Fe2O3 kích thước nanomet trên<br /> nền silicat”, Tạp chí Hóa học, T.47 (6A), Tr.265 – 268.<br /> 19. Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan, Võ Quang Mai (2011), “Chế tạo vật liệu<br /> cát thạch anh phủ nano oxit β – MnO2 và γ – Fe2O3 để hấp phụ asen”, Tạp chí<br /> Hóa học, T.49 (3A), Tr.6 – 10.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU TIẾNG ANH<br /> 20. McGraw-Hill (1997), Encyclopedia of Science and Technology, 8th edition.<br /> 21. J.C. Miller (2005), The handbook of nanotechnology, Wiley VCH, pp.26.<br /> 22. C. Meldrum et al (1991), “Synthesis of inorganic nanophase materials in<br /> supramolecular protein cages”, Nature, Vol. 394, pp.684-687.<br /> 23. K.J. Klabunde (1994), Free Atoms, Clusters and Nanoparticles, Academic<br /> Press, San Diego.<br /> 24. E.M. Lucas and K.J. Klabunde (1999), “Nanocrystals as destructive absorbants<br /> for mimcs of chemical warfare agents”, Nanostructured Materials, Vol. 12,<br /> pp.1.<br /> 25. C. Wang, A. Cui, Z. Deng (2001), “Preparation of Cuprous oxide particles of<br /> different crystallinit”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 243,<br /> pp.85-92.<br /> 26. B. Balamurugan, B. R. Mehta (2001), “Optical and structural properties of<br /> nanocystalline copper oxide thin films prepared by actived reactive<br /> evaporation”, Thin solid films, Vol. 396, pp.90-96.<br /> 27. R. Smalley (1992), Congressional Hearing, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol.<br /> 27, pp. 361-370.<br /> 28. T. Boronina, K.J. Klabunde, G. Sergeev (1995), “Destruction of Organohalides<br /> in Water Using Metal Particles: Carbon Tetrachloride/Water Reactions with<br /> Magnesium, Tin, and Zinc”, Environ. Sci. Technol, Vol. 29, pp.1511-1517.<br /> 29. E.M. Lucas and K.J. Klabunde (1999), “Nanocrystals as destructive absorbants<br /> for mimcs of chemical warfare agents”, Nanostructured Materials, Vol. 12,<br /> pp.179-182.<br /> 30. M. McGehee, Stanford Univ (2003), Organic and Polymericphotovollatic<br /> Cells, Presented at NSF Organic, available at http://www. mrc.utexas.edu/.<br /> 31. L. Schlapbach and A. Züttel (2001), “Hydrogen-storage Materials for mobile<br /> applications”, Nature, Vol. 414, pp.353-358.<br /> <br /> 32. M. Peter (2005), “Ion exchange. An over view of technologies useful for<br /> arsenic removal”, Vetrapure water, 22(5), pp.42-43.<br /> <br /> 33.Kim, M. J and Nriagn, J (2000), “Oxidation of arsenic in ground using ozone<br /> and oxygen”, Science of the total environment, 247, pp.71 – 79.<br /> <br /> 34. M. Bissen, F. H. Frimmel, Arsenic areview. Part II (2003), “Oxidation of<br /> arsenic and its removal in water treatment”, Acta hydrochim. Hydrobiol. 31(2),<br /> pp.97 – 107.<br /> <br /> 35. Dinesh Mohan, Charles U.Pittman Jr (2007), “Review arsenic removal from<br /> water/waste water using adsortbents – critical review”, J Hazard Mater. 2007.<br /> 01.006.<br /> 36. Daus,R.Wennrich, H. Weiss (2004), “Sorption materials for arsenic removal<br /> from water: a comparative study”, water Res. 38(12), pp.2948 – 2954, 2004.<br /> <br /> 37. T.Yuan, J. Y. Hu, S.L.Ong, Q.F.Luo, W.J.Ng (2001), “Arsenic removal from<br /> household drinking water by adsorption”, J. Environ. Sci. Health A37(9),<br /> pp.1721 – 1736.<br /> <br /> 38. Lucy M. Camacho, Ramona R. Parra, Shuguang Deng (2011), “Arsenic<br /> removal from groundwater by MnO2-modified natural clinoptilolite zeolite:<br /> Effects of pH and initial feed concentration”, Journal of Hazardous Materials<br /> 189, pp.286–293.<br /> <br /> 39. Altundoan, S.; Tỹmen, F.; Bildik, M (2002), “Arsenic adsorption from aqueous<br /> solutions by activated red mud”, Waste Management 22, pp.357-363.<br /> <br /> 40. A. G. Merzano (1993), “Theory and Paractice of SHS”: Worlwide state of the<br /> art and Newest Results, International Journal of Self Propagating High<br /> Temperature, 2 (2), pp.113 – 158.<br /> <br /> 41. P. Deb, A. Basumallick, P. Chatterjee, and S.P. Sengupta (2001), “Preparation<br /> of α – Fe2O3 nanoparticles from a nonaqueous precursor medium”, Scripta<br /> Materialia, 45, pp.341 – 346.<br /> 42. P. Chauhan, S. Annapoorini, S.K. Trikha (1999), “Humidity – sensing<br /> properties of nanocrystalline hematite thin films preparared by sol – gel<br /> processing”, Thin Solid Films, 45, pp.266 – 268.<br /> 43. Bingjie Liu, Dongfeng Wang, Haiyan Li, Ying Xu, Li Zhang (2011), “As(III)<br /> removal from aqueous solution using α-Fe2O3 impregnated chitosan beads with<br /> As(III) as imprinted ions”, Desalination 272, pp.286–292.<br /> 44. M.H. Khedr, K.S. Abdel halim, N.K. Soliman (2009), “Synthesis and<br /> photocatalysis activity of nano sized iron oxides”, Materials Letters, 63, pp.598<br /> – 601.<br /> 45. Zhou Gui, Rong Fan, Xian Hui Chen, Yi Cheng Wu (2001), “A simple direct<br /> preparation of nanocrystalline γ – Mn2O3 at ambient temperature”, Inorganic<br /> Chemistry Communication, 4, pp.294 – 296.<br /> 46. Shuyuan Zhang, Zhiwen Chen, Shun Tan, Jian Wang and Sizhao Jin (1997),<br /> “Prepation and microstructure of nanometer sized Mn2O3”, Nanostructured<br /> Materials, 8 (6), pp.719 – 723.<br /> 47. P. Julius Pretorius, Peter W. Linder (2001), “The adsorption characteristics of δ<br /> – mangansas dioxide: a collection of diffuse double layer constants for the<br /> adsorption of H+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+ and Pd2+”, Applied Geochemistry, 16,<br /> pp.1067 – 1082.<br /> 48. Kanaparthi Ramesh, Luwei Chen, Ziyi Zhong, Jianhau Chin, Hongwai Mook,<br /> Yi Fan Han (2007), “Preparation and characterization of coral like<br /> nanostructured α – Mn2O3 catalyst for catalytic combustion methane”, Catalysis<br /> Communications, 8, pp.1421 – 1426.<br /> 49. Gaosheng Zhanga,b, Jiuhui Qua, Huijuan Liua, Ruiping Liua, Rongcheng<br /> Wua (2007), “Preparation and evaluation of a novel Fe–Mn binary oxide<br /> adsorbent for effective arsenite removal”, Water research, 41, pp.1921 –<br /> 1928.<br /> 50. Wei Xu, Hongjie Wang, Ruiping Liu, Xu Zhao, Jiuhui Qu (2011), “Arsenic<br /> release from arsenic-bearing Fe–Mn binary oxide: Effects of Eh condition”,<br /> Chemosphere 83, pp.1020–1027.<br /> 51. Jennifer. A, Wilkie, Janet. G. Hering (1996), “Adsorption of onto hydrous<br /> ferric oxide: effects of adsorbate/adsorbent ratios and co – occurring solutes”,<br /> Colloid Surfaces A, 107, pp.97 – 110.<br /> 52. J.N. Moore, J.R. Walker, T.H. Hayes (1990), “Reaction scheme for the<br /> oxidation of As(III) to arsenic (V) by birnessite”, Clays Clay Miner, 38, pp.549<br /> – 555.<br /> 53. Sunbaek Bang, Manish Patel, Lee Lippincott, Xiaoguang Meng (2005),<br /> “Removal of arsenic from groundwater by granular tiannium dioxide<br /> adsorbent”, Chemosphere, 60, pp.389 – 3896.<br /> 54. T.Tuutijarvi, J.Lu, M. Sillanpaa, G. Chen (2009), “As(V) adsorption on<br /> maghemite nanoparticles”, Journal of Hazardous Materials, 166, pp.1414 –<br /> 1420.<br /> 55. Kaushik Gupta, Uday Chand Ghosh (2009), “Arsenic removal using hydrous<br /> nanostructure iron (III) – titanium (IV) binary mixed oxide from aqueous<br /> solution”, Journal of Hazardous Materials, 161, pp.884 – 892.<br /> 56. Yun Fan, Fu Shen Zhang, Yinan Feng (2008), “An effective adsorbent<br /> developed from municipal solid waste and co – combustion ash for As(V)<br /> removal from aqueous solution”, Journal of Hazardous Materials, 159, pp.313 –<br /> 318.<br />