Luận văn thạc sĩ về ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ trong xử lý crom vi trong nước thải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ hóa học nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ xử lý crom vi trong nước thải, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Ngô Thị Mỹ Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Hạnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ xử lý crôm (VI) trong nước thải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. TÓM TẮT
• 2. MỤC LỤC
• 3. MỤC LỤC BẢNG
• 4. MỤC LỤC HÌNH ẢNH
• 5. LỜI GIỚI THIỆU
• 6. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CRÔM (VI) TRONG NƯỚC THẢI
• 6.1. Crôm và các hợp chất của crôm
• 6.1.1. Hợp chất crôm (II)
• 6.1.2. Hợp chất crôm (III)
• 6.1.3. Hợp chất crôm (VI)
• 6.2. Nguồn nhiễm crôm (VI) trong nước thải
• 6.3. Ảnh hưởng của crôm (VI) đến sức khỏe con người
• 6.4. Phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải
• 6.4.1. Phương pháp kết tủa
• 6.4.2. Phương pháp hấp phụ
• 6.4.3. Phương pháp trao đổi ion
• 6.4.4. Phương pháp thẩm thấu ngược và siêu lọc
• 6.4.5. Phương pháp điện hoá
• 6.4.6. Phương pháp trích ly
• 7. TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ
• 7.1. Vật liệu từ tính
• 7.1.1. Các khái niệm trong từ học
• 7.1.2. Phân loại vật liệu từ
• 7.1.3. Vật liệu nano oxit sắt từ
• 7.1.3.1. Dụng cụ và hóa chất
• 7.1.3.2. Cách tiến hành
• 7.1.3.3. Kết quả và bàn luận
• 7.1.3.3.1. Cơ chế phản ứng
• 7.1.3.3.2. Cấu trúc vật liệu nano oxit sắt từ
• 7.1.3.3.3. Kích thước vật liệu nano oxit sắt từ
• 7.1.3.3.4. Tính chất từ của vật liệu nano oxit sắt từ
• 7.1.3.3.5. Diện tích bề mặt riêng vật liệu nano oxit sắt từ
• 8. HẤP PHỤ CRÔM (VI) TRONG NƯỚC THẢI BẰNG VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH
• 8.1. Quá trình hấp phụ
• 8.1.1. Các khái niệm về sự hấp phụ
• 8.1.2. Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ
• 8.1.3. Phương trình động học quá trình hấp phụ
• 8.2. Thiết bị và hóa chất
• 8.3. Cách tiến hành
• 8.3.1. Phân tích hàm lượng crôm (VI)
• 8.3.2. Thu oxit sắt từ trong dung dịch sau hấp phụ
• 8.3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình hấp phụ crôm (VI) trong nước thải
• 8.4. Kết quả và bàn luận
• 8.4.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ crôm (VI) trong nước thải
• 8.4.2. Động học quá trình hấp phụ crôm (VI) trong nước thải
• 8.4.3. Cân bằng hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ
• 8.4.4. Cơ chế hấp phụ
• 8.4.5. Ảnh hưởng của các ion khác cùng tồn tại trong dung dịch
• 8.4.6. So sánh khả năng hấp phụ với các chất hấp phụ khác
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý crôm VI trong nước thải

Crôm (VI) là một trong những kim loại nặng gây ô nhiễm nghiêm trọng trong nước thải. Các hợp chất của crôm có tính oxy hóa mạnh, đặc biệt là trong trạng thái +6. Nguồn gốc của crôm (VI) chủ yếu đến từ các ngành công nghiệp như dệt nhuộm, mạ điện, và sản xuất hóa chất. Theo nghiên cứu, crôm (VI) không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người, có thể gây ra các bệnh nghiêm trọng, bao gồm ung thư. Do đó, việc xử lý crôm (VI) trong nước thải là cần thiết nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Có nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng, bao gồm kết tủa, hấp phụ, và trao đổi ion. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, và cần được lựa chọn phù hợp với điều kiện thực tế.

1.1. Crôm và các hợp chất của crôm

Crôm là một kim loại có tính chất lưỡng tính, tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau. Trong đó, các hợp chất crôm (VI) được biết đến với tính oxy hóa mạnh, có thể gây hại cho sức khỏe con người. Các trạng thái oxy hóa của crôm bao gồm +2, +3, và +6, trong đó crôm (VI) thường tồn tại dưới dạng ion bicrômat và crômat. Sự tồn tại của crôm (VI) trong nước phụ thuộc vào pH của dung dịch. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng crôm (VI) có thể tồn tại trong môi trường nước và gây ô nhiễm nghiêm trọng nếu không được xử lý kịp thời.

1.2. Nguồn nhiễm crôm VI trong nước thải

Nguồn nhiễm crôm (VI) chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp như sản xuất dệt nhuộm, mạ điện, và sản xuất hóa chất. Các ngành công nghiệp này thường thải ra lượng lớn nước thải chứa crôm (VI), gây ô nhiễm nguồn nước. Theo báo cáo của EPA, các nguồn thải crôm trong công nghiệp rất đa dạng và cần được kiểm soát chặt chẽ để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Việc nhận diện và xử lý kịp thời các nguồn thải này là rất quan trọng để bảo vệ tài nguyên nước và sức khỏe cộng đồng.

II. Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ

Vật liệu nano oxit sắt từ được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa từ các ion Fe2+ và Fe3+. Kết quả nghiên cứu cho thấy các hạt nano Fe3O4 có kích thước từ 10 đến 14 nm, với tính chất từ hóa siêu thuận và diện tích bề mặt lớn. Phương pháp tổng hợp này cho phép tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt, đặc biệt là đối với các ion kim loại nặng như crôm (VI). Các phương pháp phân tích như XRD, TEM, và VSM đã được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu nano. Việc sử dụng vật liệu nano oxit sắt từ trong xử lý nước thải không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu ô nhiễm nước.

2.1. Vật liệu từ tính

Vật liệu từ tính là những chất có khả năng từ hóa khi chịu tác động của từ trường. Vật liệu nano oxit sắt từ, đặc biệt là Fe3O4, được biết đến với tính chất từ hóa tốt và khả năng hấp phụ cao. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong việc loại bỏ kim loại nặng như crôm (VI). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này không chỉ có khả năng hấp phụ tốt mà còn có thể tái sử dụng nhiều lần, làm giảm chi phí và tác động đến môi trường.

2.2. Cách tiến hành tổng hợp

Phương pháp đồng kết tủa được chọn để tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ do tính đơn giản và hiệu quả của nó. Quá trình này bao gồm việc hòa tan các ion Fe2+ và Fe3+ trong môi trường kiềm, sau đó tiến hành kết tủa để thu được các hạt nano. Kết quả cho thấy vật liệu tổng hợp có kích thước đồng đều, tính chất từ hóa tốt và khả năng hấp phụ cao. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp như pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng là rất quan trọng để đạt được sản phẩm chất lượng cao.

III. Hấp phụ crôm VI trong nước thải bằng vật liệu nano từ tính

Quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng vật liệu nano oxit sắt từ đã được khảo sát kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy pH của dung dịch có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ crôm (VI). Các mô hình đường đẳng nhiệt như Langmuir và Freundlich đã được áp dụng để phân tích quá trình hấp phụ. Cơ chế hấp phụ chủ yếu là do lực hút tĩnh điện giữa các anion crôm (VI) và bề mặt của oxit sắt từ. Việc nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế hấp phụ mà còn mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng vật liệu nano trong xử lý nước thải.

3.1. Quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ crôm (VI) diễn ra trên bề mặt của vật liệu nano oxit sắt từ. Các yếu tố như pH, nồng độ ion crôm (VI) và thời gian tiếp xúc có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hấp phụ. Nghiên cứu cho thấy rằng ở pH tối ưu, khả năng hấp phụ crôm (VI) đạt hiệu suất cao nhất. Việc kiểm soát các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải.

3.2. Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ

Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich đã được áp dụng để phân tích dữ liệu hấp phụ crôm (VI). Mô hình Langmuir cho thấy khả năng hấp phụ đạt đến một giới hạn nhất định, trong khi mô hình Freundlich cho thấy sự hấp phụ có thể tiếp tục diễn ra với nồng độ tăng. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế hấp phụ và giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Crôm (VI) là một trong những kim loại nặng độc hại phổ biến trong nước thải công nghiệp, đặc biệt từ các ngành như mạ điện, dệt nhuộm, thuộc da và khai thác khoáng sản. Theo báo cáo của ngành, nồng độ crôm (VI) trong nước thải có thể vượt quá giới hạn cho phép, gây nguy hiểm nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Các hợp chất crôm (VI) tồn tại chủ yếu dưới dạng anion CrO4^2- và Cr2O7^2-, có tính oxy hóa mạnh và khả năng gây ung thư cao. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa, khảo sát đặc tính vật liệu và ứng dụng trong xử lý hấp phụ crôm (VI) trong nước thải tự chế. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM trong khoảng thời gian từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2011. Việc ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý crôm (VI), giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn thải loại hiện hành, góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải kim loại nặng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết từ tính và vật liệu siêu thuận từ: Giải thích nguồn gốc từ tính dựa trên mômen từ nguyên tử và cấu trúc spinel nghịch của Fe3O4. Vật liệu siêu thuận từ có đặc tính từ hóa bão hòa cao, độ từ dư và lực kháng từ thấp, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ nhờ khả năng tách nhanh bằng từ trường ngoài.

• Mô hình hấp phụ và động học hấp phụ: Áp dụng các mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson và Temkin để mô tả quá trình hấp phụ crôm (VI) trên bề mặt vật liệu nano oxit sắt từ. Các phương trình động học phản ứng bậc nhất, bậc hai và Elovich được sử dụng để phân tích tốc độ và cơ chế hấp phụ.

• Khái niệm hấp phụ phân tử và hấp phụ ion: Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, trong đó hấp phụ ion crôm (VI) chủ yếu do lực hút tĩnh điện giữa anion HCrO4^- và bề mặt proton hóa của oxit sắt từ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano oxit sắt từ được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp đồng kết tủa từ dung dịch muối Fe2+ và Fe3+ với tỷ lệ mol 2:1 trong môi trường kiềm. Nước thải tự chế chứa crôm (VI) được chuẩn bị từ Kali cromat.

• Phương pháp phân tích: Đặc tính vật liệu được xác định bằng nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), từ kế mẫu rung (VSM) và phương pháp BET để đo diện tích bề mặt. Hàm lượng crôm (VI) được phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp thu phân tử UV với thuốc thử 1,5-diphenylcarbazid.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và đặc trưng vật liệu trong tháng 9-10/2011; khảo sát hấp phụ crôm (VI) trong tháng 11/2011; phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong tháng 12/2011.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng 0.1 g vật liệu nano oxit sắt từ cho mỗi thí nghiệm hấp phụ trong 40 ml dung dịch crôm (VI) với nồng độ từ 20 đến 200 mg/L. Các điều kiện pH, thời gian và ảnh hưởng ion đồng tồn tại được khảo sát chi tiết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính vật liệu nano oxit sắt từ: Các hạt nano Fe3O4 có kích thước đồng đều từ 10 đến 14 nm, diện tích bề mặt riêng đạt 126 m²/g. Độ từ hóa bão hòa khoảng 58 emu/g, độ từ dư và lực kháng từ rất thấp, thể hiện tính siêu thuận từ. Phổ XRD xác nhận cấu trúc spinel nghịch của Fe3O4 với sự hiện diện một lượng nhỏ γ-Fe2O3.

2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ crôm (VI): Hiệu suất hấp phụ đạt tối đa khoảng 95% tại pH 2, giảm dần khi pH tăng lên đến 10. Điều này phù hợp với cơ chế hấp phụ tĩnh điện, khi bề mặt vật liệu bị proton hóa mạnh ở pH thấp, tăng khả năng hút các anion HCrO4^-.

3. Động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau khoảng 120 phút. Phương trình động học phản ứng bậc hai mô tả chính xác nhất quá trình hấp phụ với hệ số hồi quy R² > 0.99, cho thấy hấp phụ chủ yếu là quá trình hóa học trên bề mặt vật liệu.

4. Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ: Mô hình Langmuir phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm, với khả năng hấp phụ cực đại qm đạt khoảng 45 mg/g. Sai số giữa dữ liệu thực nghiệm và tính toán nhỏ nhất, chứng tỏ hấp phụ diễn ra trên bề mặt đồng nhất với lớp hấp phụ đơn phân tử.

5. Ảnh hưởng của các ion đồng tồn tại: Sự hiện diện của các ion Na+, Ca2+, Mg2+, Cu2+, Ni2+, SO4^2-, Cl^-, NO3^- trong dung dịch làm giảm nhẹ hiệu suất hấp phụ crôm (VI) khoảng 5-10%, do cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kích thước nano nhỏ và diện tích bề mặt lớn của vật liệu nano oxit sắt từ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ crôm (VI). Tính siêu thuận từ giúp dễ dàng thu hồi vật liệu sau xử lý bằng từ trường ngoài, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp. Hiệu suất hấp phụ cao ở pH thấp phù hợp với trạng thái proton hóa bề mặt vật liệu, tăng lực hút tĩnh điện với anion crôm (VI). So với các nghiên cứu trước đây, khả năng hấp phụ của vật liệu đạt mức cạnh tranh, đồng thời phương pháp tổng hợp đơn giản, nhanh chóng và chi phí thấp. Mô hình Langmuir và động học bậc hai cho thấy hấp phụ là quá trình hóa học, không chỉ là hấp phụ vật lý đơn thuần. Sự ảnh hưởng của các ion đồng tồn tại là yếu tố cần lưu ý khi ứng dụng thực tế, đòi hỏi điều chỉnh điều kiện vận hành phù hợp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong hấp phụ theo pH, đồ thị động học hấp phụ và bảng so sánh các mô hình hấp phụ để minh họa rõ ràng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện pH vận hành: Khuyến nghị duy trì pH trong khoảng 2-3 để đạt hiệu suất hấp phụ crôm (VI) cao nhất, đồng thời giảm thiểu chi phí điều chỉnh pH trong hệ thống xử lý nước thải.

2. Ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy mạ điện hoặc dệt nhuộm trong vòng 6-12 tháng nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng tái sử dụng vật liệu.

3. Nâng cao khả năng tái sinh vật liệu: Phát triển quy trình tái sinh vật liệu nano oxit sắt từ sau quá trình hấp phụ để giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu, ưu tiên các phương pháp rửa hóa học hoặc xử lý nhiệt.

4. Kiểm soát ảnh hưởng của các ion đồng tồn tại: Thiết kế hệ thống tiền xử lý để loại bỏ hoặc giảm nồng độ các ion cạnh tranh như Ca2+, Mg2+ nhằm nâng cao hiệu quả hấp phụ crôm (VI).

5. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khảo sát khả năng hấp phụ các kim loại nặng khác như Pb2+, Cd2+, AsO4^3- bằng vật liệu nano oxit sắt từ để đa dạng hóa ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu nano oxit sắt từ và ứng dụng xử lý kim loại nặng, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp: Tham khảo để áp dụng công nghệ hấp phụ bằng vật liệu nano trong xử lý nước thải chứa crôm (VI), nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Hiểu rõ về các phương pháp xử lý crôm (VI) hiện đại, từ đó xây dựng tiêu chuẩn và quy định phù hợp nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước: Nghiên cứu giúp phát triển sản phẩm vật liệu hấp phụ mới, cải tiến công nghệ và mở rộng thị trường ứng dụng trong ngành xử lý nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nano oxit sắt từ có ưu điểm gì so với các chất hấp phụ truyền thống?
   Vật liệu nano oxit sắt từ có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn (126 m²/g), tính siêu thuận từ giúp dễ dàng thu hồi bằng từ trường ngoài, đồng thời có khả năng hấp phụ cao và tái sử dụng tốt, vượt trội so với than hoạt tính hay đất sét.

2. Tại sao pH ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất hấp phụ crôm (VI)?
   Ở pH thấp, bề mặt vật liệu bị proton hóa, tạo điện tích dương hút các anion crôm (VI) như HCrO4^-, tăng hiệu suất hấp phụ. Khi pH tăng, bề mặt vật liệu trở nên trung tính hoặc âm, làm giảm lực hút tĩnh điện và hiệu suất hấp phụ giảm.

3. Quá trình hấp phụ crôm (VI) diễn ra theo cơ chế nào?
   Quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ hóa học, được mô tả bằng động học phản ứng bậc hai, trong đó lực hút tĩnh điện giữa anion crôm (VI) và bề mặt proton hóa của oxit sắt từ đóng vai trò chính.

4. Vật liệu nano oxit sắt từ có thể tái sử dụng được không?
   Có thể tái sử dụng sau khi được tái sinh bằng các phương pháp thích hợp như rửa hóa học hoặc xử lý nhiệt, giúp giảm chi phí và tăng tuổi thọ vật liệu trong ứng dụng xử lý nước thải.

5. Ảnh hưởng của các ion khác trong nước thải đến quá trình hấp phụ như thế nào?
   Các ion như Na+, Ca2+, Mg2+, Cu2+, Ni2+, SO4^2-, Cl^-, NO3^- cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt vật liệu, làm giảm hiệu suất hấp phụ crôm (VI) khoảng 5-10%, cần được kiểm soát hoặc xử lý trước khi hấp phụ.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano oxit sắt từ Fe3O4 kích thước 10-14 nm, diện tích bề mặt 126 m²/g, có tính siêu thuận từ với độ từ hóa bão hòa 58 emu/g.
• Quá trình hấp phụ crôm (VI) đạt hiệu suất tối đa khoảng 95% tại pH 2, thời gian cân bằng khoảng 120 phút.
• Mô hình hấp phụ Langmuir và động học phản ứng bậc hai phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy hấp phụ là quá trình hóa học trên bề mặt vật liệu.
• Các ion đồng tồn tại trong dung dịch làm giảm nhẹ hiệu suất hấp phụ, cần lưu ý khi ứng dụng thực tế.
• Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot, tối ưu hóa điều kiện vận hành và phát triển quy trình tái sinh vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về hấp phụ các kim loại nặng khác bằng vật liệu nano oxit sắt từ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------ NGÔ THỊ MỸ THANH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ XỬ LÝ CRÔM (VI) TRONG NƯỚC THẢI Chuyên ngành: Công nghệ hóa học Mã số: 605275 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Ngọc Hạnh Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.

Ngô Mạnh Thắng Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Ngô Thanh An Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 11 tháng 01 năm 2012. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.

Nguyễn Đình Thành 2. Nguyễn Quang Long 3. Ngô Mạnh Thắng 4. Ngô Thanh An 5.

Nguyễn Ngọc Hạnh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGÔ THỊ MỸ THANH MSHV: 10050135 Ngày, tháng, năm: 05/11/1984 Nơi sinh: Mỏ Cày, Bến Tre Chuyên ngành: Công nghệ hóa học Mã số: 605275 I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ xử lý crôm (VI) trong nước thải NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan về xử lý crôm (VI) trong nước thải. - Tổng quan về vật liệu oxit sắt từ.

- Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ. - Khảo sát khả năng hấp phụ crôm (VI) trong nước thải bằng vật liệu nano oxit sắt từ đã tổng hợp. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 29/8/2011 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2011 IV.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 1. TS Nguyễn Ngọc Hạnh Tp. HCM, ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC 1 LỜI CẢM ƠN Tôi kính gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy, Cô trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tập tại trường.

Tôi trân trọng cảm ơn Quý Thầy, Cô trong khoa Kỹ Thuật Hoá Học, Thầy Võ Hữu Thảo và Cô Nguyễn Ngọc Hạnh đã tận tình dành thời gian hướng dẫn, đóng góp ý kiến và nhận xét để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi trân trọng cảm ơn tất cả những người bạn đã cho tôi ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện luận văn. Nội dung luận văn này chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong Quý Thầy, Cô và các bạn đóng góp ý kiến để những hiểu biết của tôi được hoàn thiện hơn. Hồ Chí Minh, Tháng 12 năm 2011 Học viên thực hiện Ngô Thị Mỹ Thanh 2 TÓM TẮT Các hạt nano oxit sắt từ được tổng hợp bằng phản ứng đồng kết tủa của các ion Fe2+ và Fe3+ với tỷ lệ mol Fe3+ : Fe2+ = 2 : 1 trong môi trường kiềm.

Đặc trưng của chúng về cấu trúc, kích thước, độ từ hoá và diện tích bề mặt được xác định bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), từ kế mẫu rung (VSM), Brunauer-Emmett-Teller (BET). Kết quả nghiên cứu cho thấy các hạt nano Fe3O4 rắn tổng hợp được có kích thước 10 – 14 nm, có tính chất siêu thuận từ với độ từ hoá bão hoà khoảng 58 emu g-1, diện tích bề mặt đạt 126 m2 g-1. Khả năng hấp phụ và động năng hấp phụ crôm (VI) trong nước thải tự chế bằng các hạt nano Fe3O4 rắn tổng hợp đã được khảo sát. Kết quả cho thấy quá trình hấp phụ chịu ảnh hưởng nhiều của pH dung dịch.

Nhiều mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ như Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson, Temkin; các phương trình động học phản ứng bậc nhất, phản ứng bậc hai và phương trình động học Elovich đã được áp dụng để phân tích, so sánh và đánh giá động học quá trình hấp phụ. Cơ chế quá trình hấp phụ crôm (VI) trên các hạt nano oxit sắt từ rắn có thể do do lực hút tĩnh điện giữa các anion crôm (VI) dạng HCrO4- với bề mặt bị proton hoá của oxit sắt từ. 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. 3 MỤC LỤC BẢNG.

5 MỤC LỤC HÌNH ẢNH. 6 LỜI GIỚI THIỆU. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ CRÔM (VI) TRONG NƯỚC THẢI .1 Crôm và các hợp chất của crôm .2 Nguồn nhiễm crôm (VI) trong nước thải .3 Ảnh hưởng của crôm (VI) đến sức khỏe con người .4 Phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước thải. TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ .1 Vật liệu từ tính .1 Các khái niệm trong từ học .2 Phân loại vật liệu từ .3 Vật liệu nano oxit sắt từ .1 Dụng cụ và hóa chất .2 Cách tiến hành .3 Kết quả và bàn luận .1 Cơ chế phản ứng .2 Cấu trúc vật liệu nano oxit sắt từ .3 Kích thước vật liệu nano oxit sắt từ .4 Tính chất từ của vật liệu nano oxit sắt từ .5 Diện tích bề mặt riêng vật liệu nano oxit sắt từ.

HẤP PHỤ CRÔM (VI) TRONG NƯỚC THẢI BẰNG VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH .1 Quá trình hấp phụ .1 Các khái niệm về sự hấp phụ.2 Mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ .3 Phương trình động học quá trình hấp phụ .1 Thiết bị và hóa chất .2 Cách tiến hành .1 Phân tích hàm lượng crôm (VI).2 Thu oxit sắt từ trong dung dịch sau hấp phụ .3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình hấp phụ crôm (VI) trong nước thải .3 Kết quả và bàn luận .1 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ crôm (VI) trong nước thải.2 Động học quá trình hấp phụ crôm (VI) trong nước thải.3 Cân bằng hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .4 Cơ chế hấp phụ .5 Ảnh hưởng của các ion khác cùng tồn tại trong dung dịch .6 So sánh khả năng hấp phụ với các chất hấp phụ khác. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 72 5 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: Các nguồn thải crôm trong công nghiệp .2: Kết quả khử crôm bằng hoá chất .1: Giá trị d của các peak trong phổ XRD của mẫu nano Fe3O4 tổng hợp và Fe3O4 (JCPDS số 75-0033) và γ-Fe2O3 (JCPDS số 39- 1346).2: Các thông số xác định từ đường cong độ từ hóa .1: Hiệu suất hấp phụ crôm (VI) tại các giá trị pH khác nhau .2: Khả năng hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ tại các thời điểm khác nhau .3: Các thông số động học của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .4: Ảnh hưởng của nồng độ crôm (VI) ban đầu trong dung dịch đến khả năng hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .5: Các thông số đường đẳng nhiệt hấp phụ .6: So sánh giá trị sai số giữa khả năng hấp phụ thực nghiệm và tính toán từ các mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langnuir, Freundlich, Redlich-Peterson và Temkin cho quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .7: Ảnh hưởng của các ion khác đến hiệu suất quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .8: Khả năng hấp phụ crôm (VI) bằng các chất hấp phụ khác nhau .9: So sánh thời gian lắng nano oxit sắt từ trong dung dịch. 64 6 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Trạng thái tồn tại của hợp chất crôm trong nước .1: Hình ảnh các đômen từ (các vùng có màu sắc khác nhau) trên một mẫu hợp kim Ni80Fe20 có chiều dày 20 nm, cạnh 500 nm.Vật được chia thành 4 đômen .2: Đường cong từ hoá của chất sắt từ .3: Cấu trúc spinel nghịch của Fe3O4 .4: Quy trình tổng hợp các hạt nano Fe3O4 .5: Phổ XRD của hạt nano oxit sắt từ đã tổng hợp .6: Ảnh TEM của các hạt nano Fe3O4 .7: Đường cong độ từ hóa của nano oxit sắt từ được tổng hợp .8: Đường cong độ từ hóa của vật liệu siêu thuận từ.1: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ crôm (VI) .2: Hiệu suất hấp phụ crôm (VI) trong khoảng pH 5 – 8 .3: Ảnh TEM của các hạt nano Fe3O4 sau khi hấp phụ crôm (VI) .4: Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .5: Đồ thị phương trình động học phản ứng bậc nhất của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .6: Đồ thị phương trình động học phản ứng bậc hai của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .7: Đồ thị phương trình động học Elovich của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .8: Ảnh hưởng của nồng độ crôm (VI) ban đầu trong dung dịch đến khả năng hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .9: Đồ thị dạng đường thẳng của đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .10: Đồ thị dạng đường thẳng của đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .11: Đồ thị dạng đường thẳng của đường đẳng nhiệt hấp phụ Redlich- Peterson của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ.12: Đồ thị dạng đường thẳng của đường đẳng nhiệt hấp phụ Temkin của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .13: Các đường đẳng nhiệt hấp phụ Langnuir, Freundlich, Redlich-Peterson, Temkin và thực nghiệm của quá trình hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ .14: Ảnh hưởng của các ion khác đến khả năng hấp phụ crôm (VI) bằng nano oxit sắt từ.

63 8 LỜI GIỚI THIỆU Vật liệu nano oxit sắt từ đã được chế tạo thành công và đang được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y học, sinh học, hóa học và môi trường như: chất xúc tác, chất hấp phụ trong xử lý nước thải, chất nhuộm màu, chất trao đổi ion, dẫn truyền thuốc, tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ, phân tách tế bào, vật liệu cảm biến khí [13]. Người ta đã tổng hợp được vật liệu nano oxit sắt từ bằng nhiều phương pháp khác nhau như: đồng kết tủa, sol-gel, thuỷ nhiệt, hoá siêu âm, vi nhũ tượng, polyol. Nano oxit sắt từ có diện tích bề mặt và điện tích bề mặt cao nên thường được dùng trong các phản ứng hấp phụ các kim loại tự do và chất hữu cơ trong đất hay nước. Nhiều cation độc hại như: Co, Zn, Pb, Cd, Cs, U, Sr… và các anion như: AsO43-, CrO42-, PO43-, CO32-… được hấp phụ bằng vật liệu nano oxit sắt từ nhờ liên kết VanderWall bên trong hay bên ngoài hình cầu [13].