Đỗ Trà Hương và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
86(10): 95 - 99<br />
<br />
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe3+<br />
CỦA VẬT LIỆU NANO OXIT MANGAN BỌC CÁT<br />
Đỗ Trà Hương, Phạm Thị Hà<br />
Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Dựa vào phản ứng oxy hóa khử, chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ (VLHP) oxit<br />
mangan kích thước nanomet bọc cát. Từ kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy mẫu<br />
VLHP chế tạo được có dạng hình cầu, bề mặt xốp, vật liệu nano oxit mangan đã bọc kín cát.<br />
Nghiên cứu quá trình hấp phụ của VLHP với ion Fe3+ bằng phương pháp hấp phụ tĩnh, trên máy<br />
quang phổ hấp thụ phân tử. Kết quả cho thấy: Thời gian đạt cân bằng hấp phụ với ion Fe3+ là 180<br />
phút. pH hấp phụ tốt nhất là 2,5. Trong khoảng nồng độ từ 49,857÷520,833mg/l, khi nồng độ ban<br />
đầu của ion Fe3+ tăng, thì dung lượng hấp phụ đều tăng. Khi tăng khối lượng VLHP từ 0,5÷4,0g,<br />
thì dung lượng hấp phụ giảm. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir<br />
đã xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với ion Fe 3+ là 2,402mg/g.<br />
Từ khóa: Vật liệu hấp phụ, oxit mangan, bọc cát, hấp phụ, nanomet.<br />
<br />
<br />
MỞ ĐẦU<br />
Số lượng ngày càng tăng các kim loại nặng<br />
trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm<br />
độc đối với các nguồn nước . Việc loại trừ các<br />
kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước là<br />
một trong những mục tiêu môi trường quan<br />
trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay.<br />
Nguồn gốc phát thải của kim loại nặng có thể<br />
là tự nhiên hoặc từ hoạt động của con người,<br />
chủ yếu là từ các chất thải công nghiệp và từ<br />
nông nghiệp...Đã có nhiều phương pháp được<br />
đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước<br />
như: Bay hơi, kết tủa, đổi ion, hấp phụ, thẩm<br />
thấu ngược và lọc nano…Trong đó hấp phụ là<br />
một trong những phương pháp có nhiều<br />
có<br />
nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác<br />
vì vật liệu sử dụng làm hấp phụ tương đối<br />
phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân<br />
thiện với môi trường, đặc biệt không làm<br />
nguồn nước ô nhiễm thêm. Chính vì vậy đây<br />
là vấn đề đang và được nhiều nhà khoa học<br />
quan tâm, nghiên cứu [1-8]. Hiện nay phương<br />
pháp tổng hợp vật liệu oxit kích thước<br />
nanomet đang được phát triển mạnh trên thế<br />
giới [2,6-8]. Trong bài báo này chúng tôi giới<br />
thiệu một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp<br />
<br />
<br />
<br />
Tel: 0977 583899, Email: dotrhuong@gmail.com<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
phụ của vật liệu hấp phụ oxit mangan kích thước<br />
nanomet bọc cát được chế tạo bằng phản ứng<br />
oxy hóa khử với ion Fe3+.<br />
THỰC NGHIỆM<br />
Hóa chất và thiết bị<br />
Hóa chất<br />
- MnSO4.H2O, (NH4)2S2O8, AgNO3:<br />
-Fe2(SO4)3, H2SO4 0,1M, HCl 1M NaOH<br />
0,1M, axit 5-sulfosalicylic.<br />
Thiết bị<br />
- Cân điện tử 4 số Precisa XT 120A- Switland,<br />
máy đo pH Precisa 900 (Thuỵ Sĩ), tủ sấy Jeitech<br />
(Hàn Quốc, máy quang phổ hấp thụ phân tử<br />
UV mini 1240 (Shimadzu - Nhật Bản), máy<br />
lắc, máy lọc hút chân không<br />
Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP)<br />
Vật liệu hấp phụ oxit mangan kích thước<br />
nanomet đã được chế tạo thành công [2].<br />
Trên cơ sở đó chúng tôi tiến hành bọc cát như<br />
sau: Chuẩn bị dung dịch gồm 3,8030g<br />
MnSO4.H2O với 1,9800g (NH4)2S2O8 hòa tan<br />
trong 80ml nước cất và dung dịch gồm<br />
1,1900g AgNO3 hòa tan trong 10ml nước cất.<br />
30g cát đen có kích thước cỡ 1mm được hoạt<br />
hóa bằng axit HCl theo tỷ lệ HCl:H2O= 1:1,<br />
trong hai ngày, ở điều kiện nhiệt độ phòng,<br />
sau đó rửa sạch cát bằng nước sạch đến môi<br />
trường trung tính, tiến hành sấy khô ở 1000C<br />
95<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Đỗ Trà Hương và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
đến khối lượng không đổi. Cho 10 ml dung<br />
dịch AgNO3 đã chuẩn bị ở trên vào 20,3g cát<br />
đen đã được hoạt hóa. Lấy 80ml dung dịch<br />
MnSO4.H2O và (NH4)2S2O8 đã pha vào hỗn<br />
hợp cát và AgNO3, khuấy đều hỗn hợp. Hỗn<br />
hợp được để hai ngày, ở điều kiện nhiệt độ<br />
phòng, sau đó lọc bỏ kết tủa, rửa sạch vài lần<br />
bằng cồn tuyệt đối và nước sạch. Tiến hành<br />
sấy khô trong chân không đến khối lượng<br />
không đổi, thu được VLHP với hàm lượng oxit<br />
mangan tẩm là 3%. Ảnh vi cấu trúc và hình thái<br />
học của VLHP chế tạo được xác định bằng kính<br />
hiển vi điện tử quét (SEM).<br />
<br />
86(10): 95 - 99<br />
<br />
- V là thể tích dung dịch (l).<br />
- m là khối lượng chất hấp phụ (g).<br />
- C0 là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l).<br />
- Ccb là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp<br />
phụ (mg/l).<br />
- q là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng<br />
(mg/g).<br />
<br />
- Dung lượng hấp phụ cực đại được xác định<br />
theo phương trình hấp phụ Langmuir dạng<br />
tuyến tính.<br />
Ccb<br />
1<br />
1<br />
<br />
.Ccb <br />
q qmax<br />
qmax .b<br />
Trong đó:<br />
- qmax là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).<br />
- b là hằng số Langmuir.<br />
<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của<br />
VLHP<br />
<br />
Hình 1. Ảnh SEM của vật liệu hấp phụ oxit mangan<br />
kích thước nanomet bọc cát chế tạo được<br />
<br />
Từ kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy<br />
mẫu VLHP chế tạo được có dạng hình cầu, bề mặt<br />
xốp, vật liệu nano oxit mangan đã bọc kín cát.<br />
Các thí nghiệm nghiên cứu<br />
- Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ.<br />
- Khảo sát ảnh hưởng của pH đến dung lượng<br />
hấp phụ.<br />
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến<br />
dung lượng hấp phụ.<br />
- Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ.<br />
- Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của<br />
VLHP đối với ion Fe3+.<br />
- Nồng độ của ion Fe3+ trước và sau khi hấp<br />
phụ được xác định bằng phương pháp đo quang ở<br />
bước sóng 508nm với thuốc thử là<br />
axit 5-sulfosalicylic.<br />
- Dung lượng hấp phụ tính theo công thức:<br />
(C C )V<br />
cb<br />
q 0<br />
m<br />
<br />
Trong đó:<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
q (mg/g)<br />
<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0<br />
0<br />
<br />
50<br />
<br />
100<br />
<br />
150<br />
<br />
200<br />
<br />
250<br />
<br />
300<br />
<br />
Thời gian (phút)<br />
<br />
Hình 2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian<br />
đến quá trình hấp phụ ion Fe3+ của VLHP<br />
<br />
Chuẩn bị các bình tam giác dung tích 100 ml.<br />
Cho vào mỗi bình 2,0g VLHP và 25ml dung<br />
dịch Fe3+ có nồng độ đầu là 49,643 mg/l.<br />
Đem lắc trên máy lắc trong khoảng thời gian<br />
từ 30÷240 phút và tốc độ lắc 200 vòng/phút,<br />
ở nhiệt độ phòng. Sau đó, xác định nồng độ<br />
còn lại của ion Fe3+ trong dung dịch sau khi<br />
hấp phụ với các khoảng thời gian khảo sát<br />
khác nhau. Kết quả được đưa ra ở hình 2.<br />
Hình 2 cho thấy, trong khoảng thời gian khảo<br />
sát từ 30 ÷ 240 phút, dung lượng hấp phụ của<br />
VLHP đều tăng theo thời gian. Từ 30÷150 phút<br />
dung lượng hấp phụ tăng nhanh. Từ 180 đến<br />
96<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Đỗ Trà Hương và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
240 phút tăng chậm và dần ổn định (quá trình<br />
hấp phụ đã đạt cân bằng). Do đó chúng tôi chọn<br />
thời gian 180 phút để tiến hành các nghiên cứu<br />
tiếp theo đối với sự hấp phụ ion Fe3+.<br />
Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng<br />
hấp phụ của VLHP<br />
<br />
86(10): 95 - 99<br />
<br />
vòng/phút, ở nhiệt độ phòng, trong khoảng<br />
thời gian 180 phút. Xác định nồng độ còn lại<br />
của Fe3+ trong mỗi dung dịch sau khi hấp phụ<br />
bằng phương pháp đo quang ở bước sóng<br />
508nm với thuốc thử là axit 5-sulfosalicylic.<br />
Kết quả được đưa ra ở hình 4.<br />
2.5<br />
<br />
q (mg/g)<br />
<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
0<br />
<br />
1<br />
<br />
2<br />
<br />
3<br />
<br />
4<br />
<br />
5<br />
<br />
Khối lượng vật liệ u hấp phụ (g)<br />
<br />
Hình 4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối<br />
lượng VLHP đến quá trình hấp phụ ion Fe3+<br />
Hình 3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá<br />
trình hấp phụ ion Fe3+ của VLHP<br />
<br />
Cho 2,0g VLHP vào mỗi bình và thêm vào 25<br />
ml dung dịch Fe3+ có nồng độ là 49,857mg/l<br />
đã được giữ ổn định bởi các dung dịch H2SO4<br />
và NaOH có pH từ 1,51÷2,50. Tiến hành lắc<br />
với tốc độ 200 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng.<br />
Xác định nồng độ còn lại của ion Fe3+ trong<br />
dung dịch tương ứng với các giá trị pH đó<br />
bằng phương pháp đo quang ở bước sóng<br />
508nm với thuốc thử là axit 5-sulfosalicylic.<br />
Kết quả được đưa ra ở hình 3. Từ hình 3<br />
nhận thấy, cho thấy trong khoảng pH từ<br />
1,51÷2,5 dung lượng hấp phụ của VLHP đối<br />
với Fe3+ đều tăng. Chúng tôi chỉ khảo sát<br />
trong khoảng pH = 1,51÷2,5 vì khi pH ≥ 3<br />
phản ứng thuỷ phân xảy ra đến cùng tạo thành<br />
kết tủa của sắt (III) hiđroxo. Vì vậy chúng tôi<br />
chọn pH = 2,5 cho các nghiên cứu tiếp theo.<br />
Khảo sát ảnh hưởng của lượng VLHP<br />
Chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 100<br />
ml. Lần lượt cho vào mỗi bình một lượng<br />
VLHP có khối lượng thay đổi từ 0,5÷4,0g và<br />
thêm vào 25 ml dung dịch có nồng độ là<br />
150,357mg/l. Các dung dịch được giữ ổn định<br />
ở pH = 2,5. Tiến hành lắc với tốc độ 200<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
Kết quả từ hình 4 cho thấy: khi tăng khối<br />
lượng VLHP thì dung lượng hấp phụ giảm,<br />
còn hiệu suất hấp phụ của VLHP đối với ion<br />
Fe3+ tăng. Điều này phù hợp với quy luật<br />
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả<br />
năng hấp phụ của VLHP<br />
Cho 2,0g VLHP vào mỗi bình và thêm vào 25<br />
ml dung dịch có nồng độ thay đổi từ<br />
49,857÷520,833mg/l. Các dung dịch được giữ<br />
ổn định ở pH=2,5. Tiến hành lắc với tốc độ<br />
200 vòng/phút trong khoảng thời gian cân<br />
bằng đã được xác định được. Xác định nồng<br />
độ còn lại của ion Fe3+ trong mỗi dung dịch<br />
sau khi hấp phụ bằng phương pháp đo quang<br />
ở bước sóng 508nm với thuốc thử là axit 5sulfosalicylic. Kết quả được thể hiện trong<br />
bảng 1.<br />
Bảng 1. Ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Fe3+ đến<br />
dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP<br />
Ion<br />
<br />
Fe3+<br />
<br />
Co<br />
(mg/l)<br />
<br />
q<br />
(mg/g)<br />
<br />
Ccb/q<br />
(g/l)<br />
<br />
H<br />
(%)<br />
<br />
49,857<br />
<br />
0,603<br />
<br />
1,03<br />
<br />
96,725<br />
<br />
99,524<br />
<br />
1,149<br />
<br />
6,631<br />
<br />
92,345<br />
<br />
201,429<br />
<br />
1,659<br />
<br />
41,404<br />
<br />
65,899<br />
<br />
301,190<br />
<br />
2,265<br />
<br />
52,98<br />
<br />
60,158<br />
<br />
97<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Đỗ Trà Hương và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
415,238<br />
<br />
2,310<br />
<br />
99,753<br />
<br />
37,041<br />
<br />
520,833<br />
<br />
2,335<br />
<br />
143,061<br />
<br />
30,103<br />
<br />
Từ bảng 1 nhận thấy khi tăng nồng độ trong<br />
khoảng nồng độ 49,857÷520,833mg/l thì hiệu<br />
suất hấp phụ ion Fe3+ của VLHP giảm. Điều<br />
này hoàn toàn phù hợp với lí thuyết. Từ các<br />
kết quả đã khảo sát ở trên chúng tôi đã tiến<br />
hành khảo sát quá trình hấp phụ ion Fe3+ trên<br />
VLHP theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt<br />
Langmuir. Kết quả thể hiện trên hình 5.<br />
140<br />
120<br />
Ccb/q(g/l)<br />
<br />
c. Đã khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến<br />
quá trình hấp phụ và khả năng hấp phụ của<br />
VLHP đối với ion Fe3+ bằng phương pháp hấp<br />
phụ tĩnh. Kết quả thu được như sau:<br />
- Thời gian đạt cân bằng hấp phụ với ion Fe3+<br />
là 180 phút.<br />
- pH hấp phụ tốt nhất đối với ion Fe3+ là 2,5.<br />
- Trong khoảng nồng độ từ 50-500 mg/l, khi<br />
nồng độ ban đầu của ion Fe3+ tăng thì dung<br />
lượng hấp phụ đều tăng.<br />
- Tăng khối lượng VLHP từ 0,5÷4,0g thì dung<br />
lượng hấp phụ giảm.<br />
<br />
y = 0.4163x + 4.5826<br />
R2 = 0.9941<br />
<br />
160<br />
<br />
86(10): 95 - 99<br />
<br />
d. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp<br />
phụ đẳng nhiệt Langmuir đã xác định được<br />
dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với<br />
ion Fe3+ là 2,402mg/g.<br />
<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0<br />
<br />
100<br />
<br />
200<br />
<br />
300<br />
<br />
400<br />
<br />
Ccb(mg/l)<br />
<br />
Hình 5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q<br />
vào Ccb của ion Fe3+ trên VLHP<br />
<br />
Từ hình 5 cho thấy sự hấp phụ ion Fe3+ của<br />
VLHP được mô tả khá tốt theo mô hình đẳng<br />
nhiệt Langmuir. Điều này được thể hiện<br />
thông qua hệ số hồi quy của phương trình: R2<br />
= 0,9941; Từ đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của<br />
Ccb/q vào Ccb đối với ion Fe3+, tính được các<br />
giá trị dung lượng cực đại qmax và hằng số<br />
Langmuir b đối với ion Fe3+. Kết quả được thể<br />
hiện trên bảng 2.<br />
Bảng 2. Các hằng số Langmuir đối với ion Fe3+<br />
qmax (mg/g)<br />
<br />
b<br />
<br />
2,402<br />
<br />
0,091<br />
<br />
KẾT LUẬN<br />
a. Đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ<br />
nano oxit mangan bọc cát.<br />
b. Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét<br />
(SEM) cho thấy mẫu VLHP chế tạo được có<br />
dạng hình cầu, xốp, vật liệu nano oxit mangan đã<br />
bọc kín cát.<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Đỗ Trà Hương, (2010). "Nghiên cứu khả năng<br />
hấp phụ ion Cu2+, Ni2+ của than bùn Việt Yên-Bắc<br />
Giang". Tạp chí phân tích Hoá, Lý và Sinh học.<br />
Tập 15, số 4 , Tr 150-154.<br />
[2]. Đỗ Trà Hương, Nguyễn Thị Thúy Nga,<br />
(2011). "Chế tạo và nghiên cứu khả năng hấp phụ<br />
Cu2+ của vật liệu oxit nano β-MnO2", Tạp chí Hóa<br />
học, tập 49, số 3A, tr 1-5.<br />
[3]. Phạm Thị Hạnh, Phạm Văn Tình, Đinh Khắc<br />
Tùng, (2010). "Điện phân MnO2 từ quặng tự nhiên<br />
pyroluzit cho sử lý asen trong nước giếng khoan".<br />
Tạp chí Hóa học, tập 48, số 4C, tr 290-294.<br />
[4]. Tivette Vaughan, Chung W. seo and Wayne, E.<br />
Mashall, (2001). "Remove of selected metal ions<br />
from solution using modified corncobs." Bioresource<br />
Technology, Volume 82, issue 3, pp 274-251.<br />
[5]. Shaobin Wang, Z. H. Zhu, Anthony Coomes.<br />
F Haghseresht, G. Q. Lu, (2004). "The physical<br />
and suface chemical characteristics of activated<br />
carbons and the adsortion of metylene blu from<br />
waste water". Journal of Colloid and Interface<br />
Sience 284, pp 400-446.<br />
[6]. F.A. Al-Sagheer, M.I.zaki, (2000), "Suface<br />
properties of solgel synthesized<br />
δ-MnO2 as<br />
assessed by N2 sortometry, electron microscopy,<br />
<br />
98<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />
Đỗ Trà Hương và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
and X-ray photoelectron spectronscopy". A.<br />
Physicochemical and Engineering Aspects, 173, pp<br />
193-204.<br />
[7]. Lei Juin, Chun hu Chen, Vincent Mark B.<br />
Crisotomo, Linping Xu, Young - Chan Son, Steven<br />
L. Suib, (2009). "γ-MnO2 octahedral molucular<br />
sieve: preparation, characterization, and catalytic<br />
<br />
86(10): 95 - 99<br />
<br />
activity in the atmospheric oxidation of toluene".<br />
Applied Catalysis A: Genenal, 355, pp 169-175.<br />
[8]. Zhengquan Li, Yue Ding, Yujie and Yi<br />
Xie,(2005), “Rational Growth of α-MnO2<br />
Hierarchical Structures and β-MnO2 Nanorods via a<br />
Homogeneous Catalytic Route”. Journal Crystal<br />
Growth & Design, Vol 5, No 5, pp 1953 - 1958.<br />
<br />
SUMMARY<br />
FABRICATION AND STUDY ONTHE POSSIBILITY OF ION Fe3+ ADSORTION OF<br />
MANGANESE OXIDE NANOMATERIALS COATED WITH SAND<br />
<br />
<br />
Do Tra Huong , Pham Thi Ha<br />
College of Education – Thai Nguyen University<br />
<br />
Based on the oxidation-reduction reaction, we successfully made the adsorbed manganese oxide nanomaterial<br />
coated with sand. Results of scanning electronic micrographs showed that adsorded materials built a sphere,<br />
manganese oxide nanomaterials were enclosed with sand. The study of the adsorption process with Fe 3+ ion by<br />
means of static adsorption, absorption spectroscopy on molecules gave results showed time to reach adsorption<br />
equilibrium with Fe3+ ion as 180 minutes and the best pH for adsorption Fe3+ ion was 2.5, about the concentration<br />
of 49,857÷520,833mg/l, while the initial concentration of Fe3+ ion increased, the adsorption capacity increased.<br />
On the other hand, when increasing the amount of adsorbed material from 0.5 to 4.0 g, the adsorption capacity<br />
decreased. Describing the process of adsorption in the model of Langmuir adsorption isotherm was determined to<br />
be the maximum adsorption capacity of for Fe3+ ion as 2.402 mg /g.<br />
Key words: adsorbed material, manganese oxide, coated with sand, adsorbed, nanomet.<br />
<br />
<br />
<br />
Tel: 0977 583899, Email: dotrhuong@gmail.com<br />
<br />
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br />
<br />
99<br />
<br />
http://www.lrc-tnu.edu.vn<br />
<br />