Chế tạo vật liệu nano Bentonite bằng phương pháp bóc tách siêu âm ứng dụng xử lý Mn(II) trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LƯU VIỆT HÙNG

CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BENTONITE BẰNG

PHƯƠNG PHÁP BÓC TÁCH SIÊU ÂM ỨNG DỤNG

XỬ LÝ Mn(II) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

THÁI NGUYÊN - 2018

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LƯU VIỆT HÙNG

CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BENTONITE BẰNG

PHƯƠNG PHÁP BÓC TÁCH SIÊU ÂM ỨNG DỤNG

XỬ LÝ Mn(II) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Trà Hương

THÁI NGUYÊN - 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Chế tạo vật liệu nano Bentonite bằng phương pháp

bóc tách siêu âm ứng dụng xử lý Mn(II) trong môi trường nước” là do bản thân tôi

thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu

trách nhiệm.

Thái nguyên, tháng 6 năm 2018

Tác giả luận văn

LƯU VIỆT HÙNG

Xác nhận

của Trưởng khoa chuyên môn

Xác nhận

của giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS. Đỗ Trà Hương

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Trà Hương, cô giáo trực

tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Hóa học, các

thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm -

Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá

trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Hoá

lý - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và các bạn đã giúp

đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.

Luận văn này được hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí của Trung tâm Nghiên cứu

và Phát triển Công nghệ Tiên Tiến, địa chỉ văn phòng: Số 21, Ngõ 107 Đào Tấn,

Phường Ngọc Khánh, Quận Ba Đình, Thành phố Hà Nội thông qua sự cộng tác của

cử nhân Nguyễn Thanh Hải và Phùng Thị Oanh. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp

đỡ to lớn này.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đặng Văn Thành, Trường Đại học

Y - Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị của phòng thí nghiệm

Lý-Lý sinh y học và Dược trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu

của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất

mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và

những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được

hoàn thiện hơn.

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái nguyên, tháng 6 năm 2018

Tác giả luận văn

LƯU VIỆT HÙNG

iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Stt Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

1. AFM Hiển vi lực nguyên tử.

2. BO Bentonite tự nhiên bình thuận.

3. BTNMT Bộ tài nguyên môi trường.

4. CEC Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity).

5. EDX Phổ tán sắc năng lượng.

6. FT - IR Phương pháp phổ hồng ngoại.

7. HDBM Hoạt động bề mặt.

8. HDPyCl hecxadecylpyridiniumchloride.

9. HDTMA Hecxadecyltrimethylammonium

10. ICP – OES Khối phổ plasma cảm ứng.

11. MMT Montmorillonite.

12. PTMA Phenyltrimethylammonium.

13. QCVN Quy chuẩn Việt Nam.

14. SEM Chụp ảnh hiển vi điện tử quét.

15. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam.

16. TEM Hiển vi điện tử truyền qua.

17. TMA Trimethylammonium.

18. UB Nanobentonite.

19. XRD Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen.

iv

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ

Lời cam đoan ..................................................................................................................i

Lời cảm ơn .................................................................................................................... ii

Danh mục các từ viết tắt............................................................................................... iii

Mục lục .........................................................................................................................iv

Danh mục bảng biểu ......................................................................................................v

Danh mục hình vẽ .........................................................................................................vi

MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1

Chương 1. TỔNG QUAN............................................................................................3

1.1. Giới thiệu về khoáng sét tự nhiên...........................................................................3

1.1.1. Đặc điểm chung của khoáng sét...................................................................3

1.1.2. Đặc điểm của các nhóm khoáng sét chính. ..................................................4

1.1.3. Tính chất của khoáng sét tự nhiên ...............................................................7

1.2. Giới thiệu về Bentonite...........................................................................................8

1.2.1. Thành phần hóa học .....................................................................................8

1.2.2. Tính chất của bentonite ................................................................................9

1.2.3. Nguồn tài nguyên bentonite ở Việt Nam ...................................................10

1.3. Các phương pháp biến tính vật liệu khoáng sét....................................................11

1.3.1. Phương pháp nhiệt hóa...............................................................................11

1.3.2. Biến tính bằng axit/kiềm............................................................................11

1.3.3. Hoạt hóa bentonite bằng các chất hoạt động bề mặt..................................12

1.3.4. Biến tính bằng phương pháp phủ bọc ........................................................13

1.3.5. Biến tính bằng phương pháp tạo cột chống ...............................................14

1.3.6. Zeolit hóa ...................................................................................................16

1.4. Ứng dụng của khoáng sét và bentonite.................................................................17

1.5. Một số phương pháp chính để tổng hợp vật liệu nano .........................................17

1.5.1. Phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal process).......................................17

1.5.2. Phương pháp dung nhiệt (Solvothermal process)......................................18

1.5.3. Phương pháp vi nhũ tương.........................................................................18

1.5.4. Phương pháp hóa siêu âm ..........................................................................20

v

1.6. Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bentonite..........................................22

1.7. Tình hình nghiên cứu sử dụng nano bentonite dùng làm chất hấp phụ................22

1.8. Giới thiệu mangan.................................................................................................24

1.9. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu ..................................................................24

1.9.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ................................................................24

1.9.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét ..............................................................25

1.9.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua ....................................................26

1.9.4. Kính hiển vi lực nguyên tử.........................................................................26

1.9.5. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X ...............................................27

1.9.6. Phương pháp phổ hồng ngoại ....................................................................28

1.9.7. Định lượng Mn(II) bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis.......29

Chương 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................30

2.1. Dụng cu, hóa chất .................................................................................................30

2.1.1. Dụng cụ ......................................................................................................30

2.1.2. Hóa chất .....................................................................................................30

2.1.3. Qui trình phân tích Mn (II). .......................................................................31

2.2. Chế tạo vật liệu nano Bentonite............................................................................32

2.3. Khảo sát đặc điểm bề mặt, cấu trúc, thành phần hóa học của vật liệu UB và BO......32

2.4. Lập đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II)..........................................................32

2.5. Xác định điểm đẳng điện của UB. ........................................................................34

2.6. So sánh hiệu suất hấp phụ Mn(II) của BO và UB. ...............................................34

2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của ion Mn(II) của UB

theo phương pháp hấp phụ tĩnh. ..................................................................................34

2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH...............................................................................34

2.7.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. ..................................................34

2.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu UB.......................................35

2.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của các cation Mg(II), Ca(II), Na+

. ................................35

2.7.5. Khảo sát ảnh hưởng của các anion................................................................35

2.7.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ..............................................................35

2.7.7. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu. .......................................................36

vi

2.8. Cơ chế hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB. ..............................................................36

2.9. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của ion Mn(II) của UB

theo phương pháp hấp phụ động..................................................................................36

2.9.1. Chuẩn bị cột hấp phụ. ................................................................................36

2.9.2. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ Mn(II)...................................................37

2.9.3. Tái sử dụng vật liệu....................................................................................38

2.10. Xử lý thử mẫu nước mặt chứa Mn(II) ................................................................38

2.10.1. Xử lý mẫu nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp tĩnh.......................39

2.10.2. Xử lý mẫu nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp động....................39

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................40

3.1. Đặc điểm hình thái bề mặt, cấu trúc, thành phần vật liệu nano Bentonite. ..........40

3.2. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu UB. ...........................................................46

3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Mn(II) theo

phương pháp hấp phụ tĩnh. ..........................................................................................47

3.4.1. Ảnh hưởng của pH. ....................................................................................47

3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian.............................................................................49

3.4.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu UB.....................................................50

3.4.5. Ảnh hưởng của anion .................................................................................52

3.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ...............................................................54

3.4.7. Ảnh hưởng của nồng độ đầu ......................................................................55

3.4.8. Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Mn(II) theo mô hình hấp phụ đẳng

nhiệt Langmuir. ....................................................................................................56

3.4.9. Khảo sát dung lượng hấp phụ Mn(II) theo mô hình hấp phụ đẳng

nhiệt Freundlich. ..................................................................................................57

3.4.10. Cơ chế hấp phụ.........................................................................................59

3.4.11. Động học quá trình hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB...............................60

3.4.12. Nhiệt động lực học quá trình hấp phụ Mn(II) của vật liệu UB................63

3.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của Mn(II) của UB

theo phương pháp hấp phụ động..................................................................................65

3.5.1. Thí nghiệm với dung dịch Mn(II) tự pha. ..................................................65

3.5.2. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ Mn(II)...................................................68

3.5.3. Tái sử dụng vật liệu....................................................................................70

vii

3.6. Xử lý thử mẫu nước mặt chứa Mn(II) ..................................................................71

3.6.1. Xử lý nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp hấp phụ tĩnh.........................71

3.6.2. Xử lý nước mặt chứa Mn(II) theo phương pháp hấp phụ động.......................72

KẾT LUẬN.................................................................................................................74

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN...........76

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................77