Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ vật liệu, vật liệu kích thước nano đóng vai trò quan trọng nhờ diện tích bề mặt riêng lớn và hoạt tính bề mặt cao, mở ra nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, thủy sản, y học và xử lý môi trường. Vật liệu silica ($SiO_2$) là một trong những vật liệu vô cơ được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi làm chất mang xúc tác và chất hấp phụ nhờ độ bền hóa học và cơ học cao. Tuy nhiên, phần lớn các công trình công bố trong và ngoài nước thường tổng hợp nano silica từ nguồn tiền chất alkoxit silic như tetraethyl orthosilicate (TEOS) hoặc ethyl silicate với chi phí cao. Việc nghiên cứu tận dụng nguồn cát thạch anh thương mại có sẵn trong nước, giá thành thấp để chế tạo nano silica là một hướng tiếp cận mới nhằm làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu trong nước.

Song song với việc chế tạo vật liệu, vấn đề ô nhiễm photphat ($PO_4^{3-}$) trong nguồn nước đang gia tăng do các hoạt động sản xuất nông nghiệp. Dư thừa photphat dẫn đến hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, gây bùng phát thực vật phù du, làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan (DO) và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh. Nhằm giải quyết hai vấn đề trên, đề tài khóa luận "Tổng hợp vật liệu $SiO_2$ với kích thước nano, ứng dụng làm chất mang xử lý $PO_4^{3-}$ trong nước" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu:
    1. Chế tạo vật liệu $SiO_2$ kích thước nano từ cát thạch anh bằng phương pháp hóa học và thử nghiệm biến tính vật liệu $CeO_2/SiO_2$.
    2. Sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học hiện đại (XRD, SEM, BET) để xác định sự hình thành pha tinh thể, cấu trúc và tính chất của vật liệu.
  • Nội dung/Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Tổng hợp vật liệu $SiO_2$ và $CeO_2/SiO_2$ kích thước nano.
    2. Khảo sát hình thái học, cấu trúc và tính chất của vật liệu $SiO_2$ và $CeO_2/SiO_2$ thu được.
    3. Đánh giá khả năng xử lý $PO_4^{3-}$ trong môi trường nước của vật liệu và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Cát thạch anh thương mại Việt Nam (độ sạch 95%); vật liệu nano $SiO_2$; vật liệu nano composite $CeO_2/SiO_2$; dung dịch chứa anion photphat ($PO_4^{3-}$).
    • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Vô cơ (Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Phòng Thí nghiệm Công nghệ Lọc hóa dầu và Vật liệu Xúc tác (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội), hoàn thành vào tháng 6 năm 2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc loại hình nghiên cứu thực nghiệm chuyên ngành Hóa học/Kỹ thuật Môi trường và Khoa học Vật liệu. Tác giả đã kết hợp tổng quan lý thuyết về khoáng vật học silicat với các quy trình thực nghiệm tổng hợp hóa học và phân tích hóa lý hiện đại.

  • Khung lý thuyết và khái niệm:

    • Hệ khoáng silicat và thù hình của silica: Hệ thống hóa cấu trúc khoáng sét (caolinit, montmorillonit, illit), fenpat (plagioclaz, octoclaz) và nhóm khoáng silic (thạch anh, canxedoan, opan, quaczit). Các dạng thù hình của silica bao gồm dạng tinh thể ($\alpha$-quartz, $\beta$-quartz, tridymit, cristobalit, coesit, stishovit), silica dạng khối, silica vô định hình và silica dạng keo.
    • Cơ chế biến tính xúc tác - hấp phụ: Sử dụng silica vô định hình làm chất mang trơ có diện tích bề mặt lớn, kết hợp biến tính pha oxit kim loại ceri ($CeO_2$) có ái lực hấp phụ cao đối với anion photphat.
    • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: Mô tả quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất theo phương trình: $$\frac{C_e}{q_e} = \frac{1}{Q_{\max} \cdot b} + \frac{C_e}{Q_{\max}}$$ Trong đó $Q_{\max}$ là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g), $q_e$ là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g), $C_e$ là nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L), và $b$ là hằng số Langmuir (L/mg).

  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết bị phân tích:

    • Phương pháp tổng hợp: Phương pháp nóng chảy kiềm kết hợp kết tủa sol-gel để tạo $SiO_2$; phương pháp đốt cháy gel polymer Polyvinyl Ancol (PVA combustion synthesis) để biến tính $CeO_2$ lên nền $SiO_2$.
    • Phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái:
      • Nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5000 (Bruker, Đức) để xác định sự hình thành pha tinh thể và chuyển pha.
      • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị Hitachi S-4800 (Nhật Bản) nhằm khảo sát hình thái học bề mặt và kích thước hạt.
      • Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ (BET) trên thiết bị Autochem II 2920 để đo diện tích bề mặt riêng.
    • Phương pháp phân tích nồng độ $PO_4^{3-}$: Phương pháp trắc quang so màu tạo phức màu vàng giữa $PO_4^{3-}$ với thuốc thử amoni molipdat $[(\text{NH}_4)_2\text{MoO}_4]$ và amoni vanadat $(\text{NH}_4\text{VO}_3)$ theo Tiêu chuẩn Standard Methods (4500-P C), đo độ hấp thụ quang (Abs) ở bước sóng $\lambda = 470\text{ nm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về nguyên liệu silicat, vật liệu silica và các phương pháp nghiên cứu

Chương 1 tổng hợp các tài liệu lý thuyết và thực tiễn liên quan đến nguồn nguyên liệu, cấu trúc vật liệu và các phương pháp phân tích:

  • Nguồn nguyên liệu silicat trong tự nhiên: Silic chiếm 27,6% và nhôm chiếm 8,8% vỏ Trái Đất. Các nguồn silicat tự nhiên gồm nhóm sét (caolinit với kích thước $0,1 - 3\ \mu\text{m}$, montmorillonit cỡ $0,06\ \mu\text{m}$, illit $< 2\ \mu\text{m}$), nhóm fenpat và nhóm khoáng silic.
  • Phân loại và tính chất các dạng silica: So sánh các dạng thù hình của tinh thể silica và các dạng vô định hình tổng hợp.
Dạng tinh thể / vô định hình Chỉ số khúc xạ ($D$) Tỷ trọng / Khối lượng riêng ($g/\text{cm}^3$)
$\alpha$-Quartz 1,533; 1,544 2,648 - 2,66
$\beta$-Quartz - 2,533
$\alpha$-Tridymit 1,469; 1,473; 1,470 2,265 - 2,30
$\alpha$-Cristobalit 1,486 2,300 - 2,334
Coesit 1,590; 1,600 2,930 - 2,991
Stishovit 1,799; 1,826 4,287 - 4,300
Opan (vô định hình) 1,410; 1,460 1,900 - 2,300
Silicalit tổng hợp (sau nung 600°C) 1,390 $\pm$ 0,010 1,700 $\pm$ 0,050

Đối với silica vô định hình tổng hợp, tác giả đối sánh các thông số kỹ thuật giữa ba phương pháp sản xuất:

Thông số kỹ thuật Phương pháp sốc nhiệt Phương pháp kết tủa Phương pháp gel
Hàm lượng $SiO_2$ khô (%) $> 99,8$ $> 95$ $> 95$
Diện tích bề mặt riêng BET ($m^2/g$) $50 - 400$ $30 - 500$ $250 - 1000$
Tỷ khối ($g/L$) $30 - 250$ $30 - 500$ $500 - 1000$
Hao hụt khi nung (%) $< 2,5$ $3 - 14$ $2 - 15$
Đường kính lỗ xốp trung bình ($nm$) Không có $> 30$ $0,1 - 1000$
  • Tổng quan các phương pháp tổng hợp và phân tích: Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp sol-gel và phương pháp tự bốc cháy gel polymer (combustion synthesis). Trình bày nguyên lý thiết bị XRD, SEM, BET và mô hình Langmuir.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình hóa chất, dụng cụ và các bước tiến hành thực nghiệm:

  • Hóa chất sử dụng: Cát thạch anh (TA, độ tinh khiết 95%), $\text{NaOH}$, $\text{KOH}$, $\text{HCl}$ đặc, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, $\text{NH}_4\text{OH}$, Polyvinyl Ancol (PVA), $\text{KH}_2\text{PO}_4$ khan, $(\text{NH}_4)_2\text{MoO}_4$, $\text{NH}_4\text{VO}_3$.
  • Quy trình tổng hợp vật liệu $SiO_2$:
    1. Cát thạch anh nghiền mịn được làm nóng chảy sơ bộ với hỗn hợp chất chảy $\text{NaOH} + \text{KOH}$ đặc trong chén niken trên bếp điện.
    2. Đun chảy đồng nhất trong 1 giờ để phá vỡ mạng cấu trúc $\alpha$-quartz, tạo thủy tinh lỏng hòa tan.
    3. Gia nhiệt và nung mẫu ở $750^\circ\text{C}$ trong 1 giờ.
    4. Hòa tan khối nung bằng nước cất nóng, chuyển sang cốc thủy tinh và nhỏ từ từ axit $\text{HCl}$ đặc để trung hòa dung dịch về khoảng $\text{pH} = 4 - 5$.
    5. Lọc rửa kết tủa để loại bỏ muối tan và tạp chất, sau đó sấy khô thu được silica vô định hình.
  • Quy trình tổng hợp vật liệu biến tính $CeO_2/SiO_2$:
    • Phối trộn dung dịch ion $\text{Ce}^{3+}$ với dung dịch polymer PVA và bột $SiO_2$ tổng hợp được với tỷ lệ khối lượng $CeO_2$ từ 1% đến 20%.
    • Tạo gel ở điều kiện $\text{pH} = 1$, gia nhiệt $80^\circ\text{C}$.
    • Sấy gel ở $80 - 100^\circ\text{C}$ trong 4 giờ, sau đó nung ở $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ để đốt cháy khung hữu cơ, tạo composite nano $CeO_2/SiO_2$.
  • Quy trình khảo sát hấp phụ photphat:
    • Khảo sát hấp phụ của $SiO_2$ nguyên bản: 0,5 g $SiO_2$ trong 100 mL dung dịch $PO_4^{3-}$ 10 ppm, khuấy từ trong các khoảng thời gian 30, 60, 90, 120, 150 phút.
    • Khảo sát hấp phụ của $CeO_2/SiO_2$:
      • Khảo sát thời gian cân bằng: 30, 60, 90, 120 phút.
      • Khảo sát ảnh hưởng của pH: Các dải pH 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12 (điều chỉnh bằng $\text{HCl}/\text{H}_2\text{SO}_4$ và $\text{NaOH}$).
      • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ: 10°C, 20°C, 30°C, 40°C trong tủ điều nhiệt.
      • Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại: Nồng độ ban đầu thay đổi ở các mức 10, 25, 50, 75, 100, 125 ppm.
  • Xây dựng đường chuẩn trắc quang xác định photphat:
    • Dãy dung dịch chuẩn $PO_4^{3-}$ nồng độ 0; 0,5; 1; 2; 3; 5 ppm pha trong bình định mức 100 mL, thêm 1 mL thuốc thử amoni molipdat/vanadat.
    • Phương trình hồi quy đường chuẩn: $y = 0,0196x + 0,0015$ với hệ số tương quan $R^2 = 0,9994$.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm, số liệu phân tích hóa lý và hiệu quả xử lý ion photphat:

  • Nghiên cứu cấu trúc và hình thái vật liệu $SiO_2$:
    • Giản đồ XRD của cát thạch anh ban đầu (hạt $< 0,074\ \mu\text{m}$) xác nhận pha $\alpha$-quartz tinh thể bền vững với khối lượng riêng $d = 2,648\text{ g/cm}^3$.
    • Khảo sát nhiệt độ nung mẫu sau kết tủa:
      • Nung ở $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ: Giản đồ XRD chỉ xuất hiện pic rộng đặc trưng cho silica vô định hình ($SiO_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$), $d = 1,9\text{ g/cm}^3$.
      • Nung ở $750^\circ\text{C}$ và $850^\circ\text{C}$ trong 2 giờ: Xuất hiện các pic nhiễu xạ sắc nhọn của pha tinh thể Cristobalit ($d = 2,3\text{ g/cm}^3$).
    • Ảnh SEM của mẫu $SiO_2$ nung ở $550^\circ\text{C}$ cho thấy các hạt phân tán đồng nhất, kích thước hạt từ $50 - 100\text{ nm}$, cấu trúc xốp có nhiều khoang hốc.
    • Diện tích bề mặt riêng đo bằng phương pháp BET đạt giá trị $532\text{ m}^2/\text{g}$.
  • Khả năng hấp phụ $PO_4^{3-}$ của vật liệu $SiO_2$ chưa biến tính:
Thời gian (phút) $C_0$ (ppm) $C_t$ (ppm) Hiệu suất hấp phụ (%)
30 10 9,20 8,0
60 10 9,10 9,0
90 10 8,90 11,0
120 10 8,90 11,0
150 10 8,89 11,1

Vật liệu $SiO_2$ vô định hình đạt cân bằng hấp phụ sau 90 phút nhưng hiệu suất hấp phụ bão hòa chỉ đạt 11% ($C_t = 8,9\text{ ppm}$), chứng tỏ bản thân $SiO_2$ hấp phụ photphat rất yếu và chỉ thích hợp đóng vai trò chất mang.

  • Nghiên cứu vật liệu biến tính $CeO_2/SiO_2$:
    • Giản đồ XRD của các mẫu biến tính với tỷ lệ $CeO_2$ từ 5% đến 20% nung ở $550^\circ\text{C}$ cho thấy các pic tinh thể chủ yếu là pha $CeO_2$, không xuất hiện pic tinh thể của $SiO_2$ (do nền $SiO_2$ ở trạng thái vô định hình).
    • Ảnh SEM xác nhận vật liệu composite $CeO_2/SiO_2$ chế tạo qua gel PVA có hạt phân tán đồng đều, kích thước dao động trong khoảng $50 - 100\text{ nm}$ (tổng kết kết luận ghi nhận kích thước hạt đồng nhất đạt $50 - 60\text{ nm}$).
  • Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý $PO_4^{3-}$ bằng $CeO_2/SiO_2$ (mẫu 20% $CeO_2$):

1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Quá trình hấp phụ diễn ra nhanh và đạt cân bằng tại thời điểm 90 phút. Hiệu suất xử lý tăng từ 0% lên 74,2% ($C_t = 2,6\text{ ppm}$), cao hơn gấp 6,7 lần so với $SiO_2$ chưa biến tính (11%).

Thời gian (phút) 0 30 60 90 120
$C_0$ (ppm) 10 10 10 10 10
$C_t$ (ppm) 10 3,6 3,1 2,6 2,68
Hiệu suất (%) 0 64,0 69,0 74,2 73,2

2. Ảnh hưởng của pH môi trường: Hiệu suất hấp phụ đạt giá trị cao nhất tại khoảng $\text{pH} = 5 - 6$ (đạt 74,2%). Khi tăng pH lên môi trường kiềm ($\text{pH} = 11 - 12$), hiệu suất giảm xuống 58,8%; khi giảm pH xuống môi trường axit mạnh ($\text{pH} = 1 - 2$), hiệu suất giảm mạnh còn 38,1%.

Dải pH 1 - 2 3 - 4 5 - 6 7 - 8 9 - 10 11 - 12
$C_0$ (ppm) 10 10 10 10 10 10
$C_t$ (ppm) 6,2 5,2 2,6 3,1 3,6 4,1
Hiệu suất (%) 38,1 48,5 74,2 69,0 64,0 58,8

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng: Khảo sát ở các mức nhiệt độ 10°C, 20°C, 30°C và 40°C cho thấy hiệu suất hấp phụ tối ưu ở 30°C (đạt 74%, $C_t = 2,6\text{ ppm}$).

Nhiệt độ (°C) 10 20 30 40
$C_0$ (ppm) 10 10 10 10
$C_t$ (ppm) 3,6 3,1 2,6 3,1
Hiệu suất (%) 64,0 69,0 74,0 69,0

4. Dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir: Khảo sát nồng độ ban đầu $C_0$ từ 10 đến 125 ppm. Số liệu thực nghiệm được khớp vào phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir bằng phần mềm TableCurve, cho kết quả:

  • Dung lượng hấp phụ cực đại: $Q_{\max} = 67,55\text{ mg/g}$ (trong phần kết luận tác giả ghi $Q_{\max} = 67,55\text{ ppm}$).
  • Hệ số tương quan hồi quy: $r^2 = 0,979$.
$C_0$ (ppm) $C_t$ (ppm) $Q$ (mg/g)
10 2,6 1,48
25 2,7 4,46
50 6,2 8,76
75 16,5 11,70
100 37,1 12,58
125 57,8 13,44

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chính:
    • Xác lập được điều kiện công nghệ chuyển hóa cát thạch anh tự nhiên dạng $\alpha$-quartz thành nano silica vô định hình: nóng chảy kiềm $\text{NaOH} + \text{KOH}$ tại 750°C, trung hòa kết tủa ở $\text{pH} = 4 - 5$, nung ở nhiệt độ $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ. Vật liệu thu được có kích thước hạt $50 - 100\text{ nm}$ và diện tích bề mặt riêng BET đạt $532\text{ m}^2/\text{g}$.
    • Chứng minh khi nung silica ở nhiệt độ $\ge 750^\circ\text{C}$, pha vô định hình chuyển hoàn toàn sang pha tinh thể Cristobalit.
    • Tổng hợp thành công vật liệu biến tính $CeO_2/SiO_2$ (tỷ lệ $CeO_2$ từ 1% đến 20%) bằng phương pháp đốt cháy gel PVA, kích thước hạt đạt $50 - 100\text{ nm}$ ($50 - 60\text{ nm}$ ở điều kiện tối ưu).
    • Xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý $PO_4^{3-}$ của vật liệu $CeO_2/SiO_2$ (20% $CeO_2$): thời gian cân bằng 90 phút, $\text{pH} = 5 - 6$, nhiệt độ $30^\circ\text{C}$. Hiệu suất xử lý đạt 74,2% (so với 11% của $SiO_2$ nguyên bản), dung lượng hấp phụ cực đại tính theo mô hình Langmuir là $Q_{\max} = 67,55\text{ mg/g}$ ($r^2 = 0,979$).
  • Đóng góp của đề tài:
    • Đề xuất quy trình điều chế hạt nano silica từ cát thạch anh sẵn có, thay thế cho các nguồn alkoxit silic đắt tiền (TEOS, ethyl silicate), giúp giảm giá thành chế tạo chất mang vô cơ.
    • Kết hợp thành công kỹ thuật đốt cháy gel PVA để phân tán nano $CeO_2$ lên chất mang nano silica, tạo ra vật liệu composite có khả năng xử lý photphat hiệu quả trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung tác giả kiến nghị tại phần kết luận của khóa luận:

  • Hạn chế:
    • Chưa đánh giá ảnh hưởng của các ion cạnh tranh (các anion và cation khác thường có trong nguồn nước tự nhiên và nước thải) đến dung lượng và cơ chế hấp phụ của vật liệu đối với $PO_4^{3-}$.
    • Chưa mở rộng khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu trên các mẫu nước thải thực tế ngoài môi trường.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu ứng dụng vật liệu composite $CeO_2/SiO_2$ để xử lý các tác nhân ô nhiễm khác trong môi trường nước.
    • Tiến hành khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các ion đồng tồn tại đến hiệu quả xử lý $PO_4^{3-}$ của vật liệu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận cung cấp giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và phạm vi nghiên cứu sau:

  • Đối tượng tham khảo:
    • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành Kỹ thuật Môi trường, Hóa học Vô cơ, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Hóa học.
    • Các nhóm nghiên cứu quan tâm đến công nghệ chế tạo vật liệu nano từ khoáng sản tự nhiên và xử lý nước bằng phương pháp hấp phụ.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng nóng chảy kiềm để hòa tan cát thạch anh và chuyển hóa thành silica vô định hình diện tích bề mặt cao.
    • Phương pháp tổng hợp tự bốc cháy gel polymer (PVA combustion synthesis) áp dụng trong việc biến tính oxit kim loại kích thước nano lên chất mang vô cơ.
    • Quy trình phân tích trắc quang so màu xác định photphat bằng thuốc thử amoni molipdat/vanadat và phương pháp xử lý số liệu hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần nung silica ở nhiệt độ dưới 550°C thay vì 750°C hay 850°C trong quy trình chế tạo chất mang?
Kết quả phân tích XRD cho thấy khi nung ở $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, sản phẩm thu được ở dạng vô định hình ($SiO_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$) với diện tích bề mặt riêng BET đạt $532\text{ m}^2/\text{g}$, thích hợp làm chất mang xúc tác - hấp phụ. Nếu nung ở $750^\circ\text{C}$ hoặc $850^\circ\text{C}$, silica sẽ chuyển pha thành tinh thể Cristobalit có độ đặc khít cao và diện tích bề mặt giảm.

2. Vật liệu nano $SiO_2$ nguyên bản chưa biến tính có khả năng xử lý photphat trong nước như thế nào?
Khảo sát thực nghiệm với dung dịch $PO_4^{3-}$ 10 ppm cho thấy $SiO_2$ vô định hình đạt cân bằng hấp phụ sau 90 phút nhưng hiệu suất xử lý bão hòa chỉ đạt 11% ($C_t = 8,9\text{ ppm}$). Điều này chứng minh $SiO_2$ thuần túy có khả năng hấp phụ anion photphat rất thấp, do đó chỉ đóng vai trò chất mang trơ cần được biến tính hoạt chất.

3. Việc biến tính 20% $CeO_2$ lên nền $SiO_2$ làm thay đổi hiệu quả xử lý photphat ra sao?
Sau khi biến tính 20% $CeO_2$ bằng phương pháp đốt cháy gel PVA, hiệu suất hấp phụ photphat ở cùng điều kiện ($C_0 = 10\text{ ppm}$, thời gian tiếp xúc 90 phút) tăng từ 11% lên 74,2% ($C_t$ giảm xuống còn $2,6\text{ ppm}$). Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu composite đạt $Q_{\max} = 67,55\text{ mg/g}$.

4. Điều kiện pH và nhiệt độ tối ưu cho quá trình hấp phụ $PO_4^{3-}$ của vật liệu $CeO_2/SiO_2$ là bao nhiêu?
Quá trình hấp phụ đạt hiệu suất cao nhất tại khoảng $\text{pH} = 5 - 6$ (đạt 74,2%) và nhiệt độ tối ưu là $30^\circ\text{C}$ (đạt 74,0%). Hiệu suất hấp phụ giảm mạnh khi môi trường chuyển sang tính axit mạnh ($\text{pH} = 1 - 2$ chỉ đạt 38,1%) hoặc kiềm mạnh ($\text{pH} = 11 - 12$ đạt 58,8%).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Dương Duy Đức đã nghiên cứu thực nghiệm thành công quy trình chế tạo vật liệu nano silica vô định hình có diện tích bề mặt riêng lớn ($532\text{ m}^2/\text{g}$) từ nguồn cát thạch anh trong nước thông qua phương pháp nóng chảy kiềm và kết tủa ở nhiệt độ nung $550^\circ\text{C}$. Trên cơ sở chất mang $SiO_2$, tác giả đã biến tính thành công $CeO_2$ bằng phương pháp đốt cháy gel PVA, tạo ra vật liệu composite $CeO_2/SiO_2$ kích thước hạt $50 - 100\text{ nm}$. Vật liệu biến tính thể hiện khả năng xử lý photphat trong nước với hiệu suất đạt 74,2% tại điều kiện tối ưu ($\text{pH} = 5 - 6$, thời gian 90 phút, nhiệt độ $30^\circ\text{C}$) và dung lượng hấp phụ cực đại theo mô hình Langmuir đạt $67,55\text{ mg/g}$. Công trình mở ra tiềm năng tận dụng nguồn khoáng sản thạch anh giá thành thấp để chế tạo vật liệu xử lý môi trường nước.