Tạp chí khoa học: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Fe0 nano để xử lý nitrat trong nước

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 29, Số 4 (2013) 16-23<br /> <br /> Nghiên c u ng d ng v t li u Fe0 nano trong nư c<br /> 1<br /> <br /> x lý nitrat<br /> <br /> Nguy n Xuân Huân1, Nguy n Như Quỳnh2<br /> 2<br /> <br /> Trư ng<br /> <br /> Khoa Môi trư ng, Trư ng i h c Khoa h c T nhiên, HQGHN, 334 Nguy n Trãi, Thanh Xuân, Hà N i, Vi t Nam i h c Khoa h c và Công ngh Hà N i, 18 Hoàng Qu c Vi t, C u Gi y, Hà N i, Vi t Nam<br /> Nh n ngày 05 tháng 8 năm 2013 Ch nh s a ngày 19 tháng 8 năm 2013; ch p nh n ăng ngày 20 tháng 12 năm 2013<br /> <br /> Tóm t t: ng d ng v t li u Fe0 nano (nZVI) trong x lý ô nhi m môi trư ng là m t hư ng quan tâm m i c a nhi u nhà khoa h c trên th gi i. Báo cáo này nghiên c u ng d ng v t li u Fe0 nano ư c nhóm tác gi t ch t o b ng phương pháp kh pha l ng b i NaBH4 x ô nhi m nitrat và nitrat ban u. nghiên c u các y u t nh hư ng t i hi u qu x lí như th i gian, pH và n ng c tính v t li u ư c xác nh b ng phương pháp ph nhi u x tia X, kính hi n vi i n t truy n qua TEM, kính hi n vi i n t quét (SEM) và phương pháp Brunauer Emmett Teller (BET). Phân tích n ng nitrat còn l i sau khi x lí b ng phương pháp so màu quang i n t i bư c sóng λ = 430nm. K t qu phân tích nhi u x tia X cho th y, v t li u Fe0 nano ư c ch t o là khá thu n nh t, ch có duy nh t hi u ng c a Fe0 (2θ = 44,7). V t li u Fe0 nano có di n tích b m t riêng là 60m2/g, ư ng kính 10 – 18,6 nm. Hi u qu x lí t 98,9% nư c ô nhi m nitrat có n ng ban u là 30 mg N-NO3-/L trong 40 phút t i pH 2 và t l v t li u h p ph Fe0 nano là 1 g/L. T khóa: Fe0 nano, v t li u, x lý, nitrat, nư c.<br /> <br /> 1. M<br /> <br /> u1<br /> <br /> Phú dư ng là s gia tăng hàm lư ng nitrat và ph t phát trong các th y v c gây ra s tăng trư ng c a các lo i th c v t b c th p (t o, vi t o…) và t o ra nh ng bi n ng l n trong h sinh thái nư c, làm cho ch t lư ng nư c b suy gi m và ô nhi m [1]. Vì v y, vi c nghiên c u làm gi m hàm lư ng nitrat trong nư c nh m x lý phú dư ng, ngăn ch n s phát tri n c a t o c ang ư c cho là hư ng nghiên c u mang ý nghĩa th c ti n cao c n ư c khuy n khích hi n nay. x lý nitrat có nhi u phương pháp khác<br /> <br /> nhau ã ư c áp d ng như: phương pháp trao i ion, l c th m th u ngư c, sinh h c và phương pháp kh nitrat…[2]. M t trong nh ng hư ng nghiên c u m i hi n nay ang ư c r t nhi u nhà khoa h c trong nư c và trên th gi i quan tâm ó là công ngh s d ng s t nano (Fe0 nano) x lý nitrat.<br /> <br /> 2. Nguyên li u và phương pháp 2.1. Nguyên li u - FeSO4.7H2O - Bohi rua (NaBH4) 16<br /> <br /> _______<br /> *<br /> <br /> Tác gi liên h . T: 84-983665756. E-mail: huannx@hus.edu.vn<br /> <br /> N.X. Huân, N.N. Quỳnh /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 29, Số 4 (2013) 16-23<br /> <br /> 17<br /> <br /> - Etanol 100 % - Polyacrylamid (PAA) - Các m u nư c b gây nhi m nitrat nhân t o v i các n ng t 30 - 70 mg N-NO3-/L 2.2. Phương pháp nghiên c u 2.2.1. Phương pháp i u ch v t li u Fe0 nano [3] V t li u nZVI ư c i u ch b ng phương pháp kh pha l ng thông qua s kh mu i FeSO4.7H2O b ng natri borohydrat (NaBH4) khi có m t c a ch t phân tán Polyacrylamid (PAA). C th : Bư c 1: Cân 4g FeSO4.7H2O hòa tan trong 50mL nư c c t trong bình tam giác 150 mL. L c h n h p trên máy l c 20 phút v i t c 150 vòng/phút ư c dung d ch A. Bư c 2: Cân 0,1 g Polyacrylamid (PAA) hòa tan trong 1000 mL nư c ư c dung d ch PAA có n ng 0,01%, dung d ch này qua êm. Bư c 3: Cân 2g NaBH4 hòa tan trong 18mL nư c c t trong bình tam giác 100, sau ó thêm 2mL dung d ch ch t phân tán PAA 0,01% ã ư c chu n b bư c 2 và khu y t trong 5 phút v i t c 300 vòng/phút, ư c dung d ch B. Bư c 4: Nh t t dung d ch B vào bình ch a dung d ch A trên máy khu y t v i t c nh gi t kho ng 5 mL/phút. K t t a m u en c a Fe0 nano ư c hình thành, s d ng các thanh nam châm tách Fe0 nano ra và r a s ch 3-4 l n b ng c n. Sau ó v t li u Fe0 nano ư c ưa vào bình hút m phơi khô và b o qu n s d ng cho các thí nghi m x lý nitrat. 2.2.2. Phương pháp ki m tra v t li u B-nZVI c tính c a<br /> <br /> thành ư c ki m tra c tính thông qua phương pháp phân tích nhi u x tia X (XRD) trên máy o nhi u x tia X (D5005, Bruker, c) ch p nh trên kính hi n vi i n t quyeeets (SEM, JSM-5410LV), kính hi n vi i n t truy n qua (TEM) và phân tích di n tích b m t riêng theo phương pháp Brunauer Emmett Teller (BET) trên máy BET Micrometrics Gemini VII. 2.2.3. Phương pháp b trí thí nghi m kh o sát kh năng x lý c a Fe0 nano v i nư c b gây nhi m nitrat nhân t o V i m c ích xác nh cơ ch x lý c a Fe0 nano i v i nitrat, nghiên c u ã b trí thí nghi m cho Fe0 nano tác d ng tr c ti p v i nitrat ư c gây nhi m nhân t o trong nư c c t (không b tác ng b i các y u t khác). Sau ó l n lư t thay i th i gian x lí, n ng nitrat ban u, pH c a dung d ch và phân tích n ng nitrat còn l i sau x lý. - Kh o sát nh hư ng c a th i gian Hút 50mL dung d ch nitrat có n ng 50 mg N-NO3-/L vào 4 bình tam giác có dung tích 100 mL, i u ch nh v pH 2. Cân chính xác 0,05g Fe0 nano (tương ng t l Fe0 nano/ dung d ch c n x lý là 1 g/L) cho l n lư t vào 4 bình tam giác trên. L c trên máy l c v i t c 250 vòng/phút trong các kho ng th i gian khác nhau là: 10, 20, 40 và 60 phút. Ly tâm v i t c 2.500 vòng/phút g n l y ph n dung d ch. Xác nh n ng nitrat trong dung d ch sau ph n ng b ng phương pháp so màu quang i n t i bư c sóng λ = 430nm. - Kh o sát nh hư ng c a pH Hút 50 mL dung d ch nitrat có n ng 50 mg N-NO3-/L vào 4 bình tam giác có dung tích 100 mL. i u ch nh giá tr pH c a các dung d ch trong bình tam giác v 2, 4, 6 và 8 b ng<br /> <br /> Sau khi l a ch n ư c các i u ki n t t nh t i u ch v t li u Fe0 nano, v t li u t o<br /> <br /> 18<br /> <br /> N.X. Huân, N.N. Quỳnh /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 29, Số 4 (2013) 16-23<br /> <br /> dung d ch H2SO4 và NaOH tiêu chu n 0,01N. B sung vào m i bình tam giác trên 0,05g Fe0 nano (tương ng t l Fe0 nano/ dung d ch c n x lý là 1 g/L). L c trên máy l c v i t c 250 vòng/phút trong th i gian 40 phút. Ly tâm v i t c 2.500 vòng/phút g n l y ph n dung d ch. Xác nh n ng nitrat trong dung d ch sau ph n ng. - Kh o sát nh hư ng c a n ng u nitrat ban<br /> <br /> nano/ dung d ch c n x lý là 1 g/L) cho vào các bình tam giác trên. L c trên máy l c v i t c 250 vòng/phút trong th i gian 40 phút. Ly tâm v i t c 2.500 vòng/phút g n l y ph n dung d ch. Xác nh n ng nitrat trong dung d ch sau ph n ng.<br /> <br /> 3. K t qu và th o lu n 3.1. M t s nano c i m, tính ch t c a v t li u Fe0<br /> <br /> Hút l n lư t 50mL dung d ch nitrat có các n ng 30, 40, 50, 60 và 70 mg N-NO3-/L vào 5 bình tam giác có dung tích 100 mL. Cân chính xác 0,05g Fe0 nano (tương ng t l Fe0<br /> <br /> 3.1.1. K t qu nghiên c u ph nhi u x tia X c a Fe0 nano<br /> <br /> Hình 1. Ph nhi u x tia X c a Fe0 nano.<br /> <br /> D a trên ph nhi u x tia X, có th nh n th y hi u ng c trưng c a Fe0 nano xu t hi n v i cư ng l n và không xu t hi n các píc ph khác, i u này cho th y v t li u Fe0 nano ư c ch t o là khá thu n khi t và không b oxi hóa trong không khí nhi t phòng thành<br /> <br /> Fe2+ ho c Fe3+. K t qu nghiên c u này ã kh c ph c ư c nh ng khó khăn trong vi c b o qu n Fe0 nano trong môi trư ng chân không ho c trong khí nitơ c a các tác gi khác [4-6]. 3.1.2. K t qu ch p nh SEM, TEM v t li u Fe0 nano<br /> <br /> N.X. Huân, N.N. Quỳnh /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 29, Số 4 (2013) 16-23<br /> <br /> 19<br /> <br /> Hình 2. nh SEM v t li u Fe0 nano.<br /> <br /> Hình 3. nh TEM v t li u Fe0 nano.<br /> <br /> Qua nh TEM c a v t li u thu ư c cho th y: kích thư c h t trong kho ng t 10 – 18,6 nm (trung bình 16,7 nm), các h t có s phân bi t rõ ràng và không có s k t ám l i v i nhau làm cho di n tích b m t càng l n. Các tinh th s t có hình c u và n i v i nhau thành chu i, t o thành m ng lư i. Ki u liên k t thành chu i này là do s tương tác gi a các kim lo i có t tính v i nhau. So v i kích thư c các h t s t nano thu ư c t nghiên c u c a Zhang (năm 2006) [4] là 10 - 100 nm; c a Yang-hsin Shih, Chung-yu Hsu, Yuh-fan Su (năm 2011) là 50- 80 nm [5] thì kích thư c h t nano thu ư c là khá nh . 3.1.3. K t qu xác nh di n tích b m t Di n tích b m t có nh hư ng r t l n t i hi u qu x lý, di n tích b m t càng l n kh năng ti p xúc càng cao do v y hi u qu x lý càng cao. K t qu o di n tích b m t c a v t<br /> <br /> li u Fe0 nano theo phương pháp Brunauer Emmett Teillor (BET) là 60 m2/g. So v i phương pháp ch t o s t nano c a Sun và nnk (2006) thì di n tích b m t là 12,82 m2/g [4] và theo phương pháp i u ch c a Hwang và nnk là 46,27 m2/g [5] thì phương pháp i u ch này cho k t qu di n tích b m t c a h t Fe0 nano cao hơn t 1,3 n 4,7 l n. 3.2. K t qu kh o sát kh năng x lý c a Fe0 nano v i nư c b gây nhi m nitrat nhân t o 3.2.1. qu x lý nh hư ng c a th i gian n hi u<br /> <br /> V i n ng nitrat trư c x lý 50 mg NNO3-/L, n ng tương ng c a pha r n/pha 0 l ng (Fe nano/dung d ch c n x lý) = 1 g/L thì k t qu phân tích và hi u qu x lý nitrat sau các kho ng th i gian 10, 20, 40 và 60 phút ư c th hi n Hình 4.<br /> <br /> 20<br /> <br /> N.X. Huân, N.N. Quỳnh /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 29, Số 4 (2013) 16-23<br /> <br /> Hình 4. N ng<br /> <br /> nitrat sau x lý và hi u su t x lý nitrat b i Fe0 nano theo th i gian.<br /> <br /> K t qu nghiên c u Hình 4 cho th y, hi u su t x lý nitrat b i Fe0 nano tăng d n theo th i gian và tăng nhanh nh t 10 phút u tiên, hi u su t t 71,36% và n ng nitrat còn l i là 14,32 mg N-NO3-/L. Sau 20 phút hi u su t x lý là 78,76%, sau 40 phút hi u su t x lý t 85,30% n ng nitrat còn l i là 7,35mg/l và<br /> <br /> sau 60 phút hi u su t lên nitrat còn l i là 3,29mg/L.<br /> <br /> n 93,41%, n ng n<br /> <br /> 3.2.2. nh hư ng c a pH dung d ch hi u qu x lý<br /> <br /> K t qu kh o sát nh hư ng c a c a pH dung d ch n hi u qu x lý nitrat ư c th hi n Hình 5.<br /> <br /> Hình 5. N ng<br /> <br /> nitrat còn l i sau x lý và hi u su t x lý theo pH.<br /> <br />