Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano vô cơ hiệu năng cao ứng dụng trong xử lý nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM VĂN LÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU NANO VÔ CƠ HIỆU NĂNG CAO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI - 2022 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …….***………… PHẠM VĂN LÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU NANO VÔ CƠ HIỆU NĂNG CAO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 9 44 01 13 Người hướng dẫn khoa học GS. TRẦN ĐẠI LÂM Hà Nội - 2022 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới cố PGS. Vũ Anh Tuấn, người anh, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.

Trần Đại Lâm, người thầy đã tiếp tục hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ban lãnh đạo viện Hóa học, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể thực hiện và hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Phạm Văn Lâm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu độc lập của tôi dưới sự hướng dẫn của những người thầy của tôi.

Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận án là nội dung từ các bài báo đã được xuất bản của tôi và các thành viên cùng tập thể khoa học, đã được các đồng tác giả cho phép sử dụng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố trong bất kì công trình nào. Tác giả luận án NCS Phạm Văn Lâm MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. i DANH MỤC BẢNG.

iii DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ. Quá trình hấp phụ loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước. Các chất ô nhiễm chủ yếu cần ưu tiên trong xử lý nước. Các công nghệ phổ biến hiện nay để loại bỏ các chất ô nhiễm.

Quá trình hấp phụ để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước. Vật liệu hấp phụ nano, nanocomposite trong xử lý nước. Vật liệu nano với vai trò là chất hấp phụ nano trong xử lý nước. Vật liệu hấp phụ nanocomposite trong xử lý nước.

Những vấn đề liên quan trực tiếp đến nội dung nghiên cứu của luận án. Khoáng sét bentonite - vật liệu nguồn trong chế tạo nanocomposite. Phương pháp tổng hợp nanocomposite Fe3O4/bentonite. Tình hình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng FB trong xử lý nước.

Nano sắt hóa trị không (nZVI) và oxit phức hợp Fe-Mn. Hydrogel nanocomposite trên cơ sở chitosan. Polyme in dấu phân tử ứng dụng trong xử lý nước và nước thải. Tổng hợp vật liệu.

Nguyên liệu, hóa chất. Tổng hợp vật liệu FB. Tổng hợp vật liệu IFMB. Tổng hợp vật liệu CAB/CGA.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu. Khả năng hấp phụ của vật liệu FB. Khả năng hấp phụ của vật liệu IFMB – Hấp phụ RY-145. Khả năng hấp phụ của vật liệu CAB/CGA – Hấp phụ amoni.

Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu. Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu và phân tích đánh giá kết quả hấp phụ .1 Nhiễu xạ tia X (XRD).2 Phổ hồng ngoại (FTIR) .3 Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) .4 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .5 Tán xạ ánh sáng .6 Đẳng nhiệt hấp phụ khí nitơ .7 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .8 Phương pháp đo đường cong từ hoá. Phân tích nhiệt (TG-DTA). Phương pháp dịch chuyển pH (pH drift method).

Xác định độ trương nở của vật liệu CAB/CGA. Hấp thụ nguyên tử AAS. Phương pháp đo phổ UV-Vis. Phương pháp so màu xác định nồng độ amoni.

Phương pháp phân tích xác định chỉ tiêu COD. Phương pháp phân tích xác định chỉ tiêu TOC. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Vật liệu FB.

Nghiên cứu lựa chọn thành phần FB và chế độ nung. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu. Khả năng hấp phụ của vật liệu. Vật liệu IFMB.

Tối ưu hóa các thành phần của IFMB. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm RY-145 của IFMB. Tái sử dụng vật liệu.

Vật liệu CAB/CGA. Tổng hợp vật liệu. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu CAB/CGA. Khả năng hấp phụ amoni của CAB/CGA.

Tái sử dụng vật liệu .108 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .110 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .111 TÀI LIỆU THAM KHẢO .112 i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AA Acrylic axit AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AOPs Quá trình oxy hóa nâng cao BOD Nhu cầu oxy sinh học CAB CTS-g - poly(acrylic acid)/bentonite Hydrogel composite mạng xen kẽ CTS-g-poly(acrylic CAB/CGA acid)/bentonite với CTS-GA COD Nhu cầu oxy hóa học CTS Chitosan FB Nanocomposite Fe3O4/bentonite FMB Composite oxit phức hợp Fe – Mn trên bentonite FMO Oxit phức hợp Fe - Mn GA Glutaraldehyde HG Hydrogel HC Hydrogel composite HM Kim loại nặng IFMB Vật liệu composite nZVI/oxit phức hợp (Fe-Mn)/bentonite KPS Kali persulphate MBA N,N’-methylene bisacrylamide MIPs Polyme in dấu phân tử MMT Montmorillonite MNCs Nanocomposite kim loại MONCs Nanocomposite oxit kim loại MONPs Nano oxit kim loại NC Nanocomposite NOCs Chất hữu cơ tự nhiên nZVI Vật liệu nano sắt không nZVI/B Vật liệu nano sắt không trên bentonite PAA Polyacrylic axit PEG Polyethylene glycol ii PNCs Polyme nanocomposite PZC Điểm điện tích không RSM Phương pháp đáp ứng bề mặt SOCs Chất hữu cơ tổng hợp TB Tinh bột TOC Tổng lượng carbon hữu cơ iii DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1: Ưu, nhược điểm của các kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ các chất 6 ô nhiễm Bảng 1. Một số nghiên cứu tổng hợp FB, các chất gây ô nhiễm mục tiêu và 27 quá trình loại bỏ chúng Bảng 2. Nồng độ của các dung dịch tiền chất trong tổng hợp IFMB 40 Bảng 2. Điều kiện thí nghiệm xác định các thông số quy trình tổng hợp CAB 44 Bảng 3.

Hiệu suất hấp phụ As(V) của các mẫu vật liệu có thành phần khác 53 nhau Bảng 3. Hiệu suất hấp phụ As(V) của các mẫu vật liệu được nung ở các nhiệt 53 độ khác nhau Bảng 3. Độ bền hóa học của các mẫu vật liệu 53 Bảng 3. Kết quả phân tích EDX của mẫu FB75-500 58 Bảng 3.

Diện tích bề mặt của một số mẫu vật liệu 58 Bảng 3. Số liệu đẳng nhiệt hấp phụ As(V) và As(III) của FB100-80 64 Bảng 3. Số liệu đẳng nhiệt hấp phụ As(III) và As(V) của FB75-500 64 Bảng 3. Dung lượng hấp phụ As cực đại theo Langmuir của các vật liệu FB 66 Bảng 3.

Số liệu đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ và Cd2+ của vật liệu FB và thông số 69 của các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Bảng 3. So sánh dung lượng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ của một số vật liệu 70 Bảng 3. So sánh dung lượng hấp phụ RR195 của một số vật liệu 74 Bảng 3. Bảng ma trận thí nghiệm tối ưu hóa 75 Bảng 3.

Thành phần 15 mẫu IFMB được tổng hợp 75 Bảng 3. Bảng mã hóa các giá trị của các biến khảo sát 76 Bảng 3. Các hệ số của phương trình hồi quy 77 Bảng 3. Kết quả kiểm tra tính tương thích của mô hình 80 Bảng 3.

Diện tích bề mặt riêng của bentonite, FMB và IFMB 82 Bảng 3. Kết quả phân tích EDX của mẫu IFMB 82 Bảng 3. Thay đổi pH dung dịch trong quá trình hấp phụ RY-145 trên 84 IFMB iv Bảng 3. Kết quả phân tích dung dịch trước và sau thí nghiệm 85 Bảng 3.

Kết quả nghiên cứu động học hấp phụ RY-145 trên IFMB 86 Bảng 3. Kết quả nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ RY-145 và RY-195 trên 88 IFMB Bảng 3. Các thông số của mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich 88 Bảng 3. Hiệu quả hấp phụ RY-145 của một số vật liệu 89 Bảng 3.25 Hiệu suất hấp phụ amoni của các mẫu CAB 91 Bảng 3.

Các thông số quan trọng trong quy trình tổng hợp CAB 92 Bảng 3. Hiệu suất hấp phụ amoni của các mẫu CAB/CGA với lượng NH4Cl 97 khác nhau Bảng 3. Kết quả xác định độ trương nở của vật liệu CAB/CGA 101 Bảng 3. Các hệ số của phương trình động học hấp phụ với Co = 50 mg/l 103 Bảng 3.

Số liệu thực nghiệm đẳng nhiệt hấp phụ amoni trên CAB/CGA 104 Bảng 3. Các thông số của hai mô hình đẳng nhiệt hấp phụ amoni 105 v DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1. Các công nghệ phổ biến hiện đang được sử dụng để xử lý nước 5 Hình 1. Phân loại nanocomposite 18 Hình 1.

Mô hình cấu trúc của montmorillonite và phản ứng trao đổi cation 21 Hình 1. Polyme-clay NC, A - Thông thường, B - Xen lớp, C - Tách lớp 22 Hình 1. Sơ đồ tổng hợp Fe3O4/bentonite 24 Hình 1. Sơ đồ biểu diễn quá trình sét chống 25 Hình 1.

Cấu trúc lõi vỏ và một số cơ chế trong việc loại bỏ kim loại nặng và 29 các hợp chất hữu cơ clo trong nước của nZVI Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hữu cơ (polyme)/vô cơ (khoáng sét) của HC 32 Hình 1. Năm loại liên kết chính giữa phân tử mẫu và MIPs 35 Hình 2. Sơ đồ tổng hợp FB 37 Hình 2.

Sơ đồ tổng hợp IFMB 40 Hình 2. Sơ đồ tổng hợp CAB/CGA 42 Hình 2. Đường chuẩn xác định nồng độ RR-195 51 Hình 2. Đường chuẩn xác định nồng độ RY-145 51 Hình 3.

Giản đồ XRD của các mẫu FB100-80 (a), FB75-500 (b) và của 54 bentonite trong quá trình xử lý tách lớp (c) Hình 3. Phổ FTIR của mẫu FB75-500 56 Hình 3. Ảnh SEM của mẫu FB100-500 và FB75-500 57 Hình 3. Ảnh TEM (a) và phân bố kích thước hạt (b) của mẫu FB75-500 57 Hình 3.

Đường cong từ hoá phụ thuộc từ trường ngoài của các vật liệu FB 59 Hình 3. Đồ thị xác định PZC của vật liệu FB 60 Hình 3. Đường động học hấp phụ As(V) và As(III) của các vật liệu FB 62 Hình 3. Đường động học hấp phụ tại các giá trị pH dung dịch khác nhau 63 Hình 3.

Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của các vật liệu FB 65 Hình 3.