Các vật liệu nano oxit sắt và nano oxit phèn sắt đã
được tổng hợp thành công và cũng được đặc trưng
bằng các phân tích hiện đại như TEM, FTIR và
XRD. Vật liệu nano oxit phèn sắt cho hiệu quả
hấp phụ cao đối với asen từ nước ngầm so với
hiệu quả hấp phụ asen của nano oxit sắt. Ở đây,
dung lượng hấp phụ asen của vật liệu nano oxit
phèn sắt cao so với vật liệu nano oxit sắt có thể là
do sự tương tác điện tử giữa oxit sắt và các oxit có
trong cấu trúc (ví dụ như oxit silic, oxit canxi.).
Vật liệu nano oxit phèn sắt có thể đánh giá là một
dạng vật liệu mới và có đầy triển vọng để triển
khai áp dụng thực tế. Tạo điều kiện ứng dụng/khai
thác nước phèn nhiễm sắt như một nguyên liệu để
sản xuất các vật liệu quí giá.
10 trang |
Chia sẻ: linhmy2pp | Ngày: 24/03/2022 | Lượt xem: 200 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đặc trưng và hoạt tính hấp phụ asen của các hạt nano được tổng hợp từ nước phèn sắt, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
59
ĐẶC TRƯNG VÀ HOẠT TÍNH HẤP PHỤ ASEN CỦA CÁC HẠT NANO ĐƯỢC TỔNG HỢP
TỪ NƯỚC PHÈN SẮT
Nguyễn Trung Thành1, Phan Phước Toàn1
1Trường Đại học An Giang
Thông tin chung:
Ngày nhận bài: 18/05/2017
Ngày nhận kết quả bình duyệt:
16/11/2017
Ngày chấp nhận đăng: 12/2017
Title:
Synthesis nanoparticles from
alum-water with high iron
concentration and their arsenic
absorption activity
Keywords:
Arsenic adsorption, alloy oxide
nanostructures, groundwater,
alum-water
Từ khóa:
Hấp phụ asen, nano hỗn
hợp oxit, nước ngầm,
nước phèn
ABSTRACT
In this study, nano structural oxide material (basically on iron oxide) - NSOM
is synthesized from alum - water by the hydrothermal method with assistant of
microwave; and characterized with XRD, FTIR, TEM measurements in the first
time. The NSOM is applied as a novel adsorbent for arsenic removal from
groundwater. The experiment operations show that the NSOM showed very high
arsenic capacity. Especially, the arsenic adsorption capacity of NSOM is higher
~1.2 fold than that of nano ferric material basically on the same amount of
adsorbent in the same experiment conditions. The enhanced arsenic capacity of
NSOM can be due to the NSOM is contained an alloy oxide structure, including
ferric oxide and SiO2. The interaction of ferric oxide and silica can be taken
place. This interaction can activate the positive charge to ferric adsorption sites
toward arsenic adsorption facilities. This research has arisen an alum-water
application to serve human life.
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, các hạt nano oxit trên cơ bản là oxit sắt (nano oxit phèn
sắt) lần đầu tiên được tổng hợp từ nước nhiễm phèn sắt bằng phương pháp thủy
nhiệt dưới sự hỗ trợ của thiết bị nung vi sóng và được ứng dụng làm chất hấp
phụ asen từ nước ngầm. Thành phần cơ bản của nước nhiễm phèn và các đặc
trưng của nano oxit phèn sắt (bao gồm TEM, XRD, FTIR) được thực hiện đầy
đủ trong báo cáo này. Trong vai trò là chất hấp phụ, nano oxit phèn sắt cho
thấy khả năng hấp phụ asen từ nước ngầm rất cao và cao gấp ~1,2 lần so với
nano oxit sắt tính trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ. Điều này có thể là
nano oxit phèn sắt có cấu trúc "alloy" (dung dịch rắn) của nhiều loại oxit kim
loại khác nhau, trong đó có SiO2. Nhờ sự tương tác qua lại của oxit sắt và oxit
silic có thể làm các tâm hấp phụ (oxit sắt) tích điện dương và dễ dàng hấp phụ
các cấu tử asen trong nước ngầm. Báo cáo này đã mở đường cho ứng dụng
nước phèn vào phục vụ đời sống.
1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, việc loại bỏ asen trong nước là rất cần
thiết để bảo vệ sức khỏe cho người sử dụng và
giải quyết vấn đề nước sạch ở nông thôn. Để loại
bỏ asen trong môi trường nước, các kỹ thuật hóa
học, hóa lý và hóa sinh thường được áp dụng như:
oxi hóa/kết tủa; đông tụ/kết tủa; lọc nano
(nanofiltration) thẩm thấu ngược, điện phân, hấp
phụ, trao đổi ion, tuyển nổi; chiết dung môi và xử
lý sinh học (Cao & cs., 2012; Gupta & cs., 2013;
Lê Hoàng Việt & cs., 2013; Nguyễn Trung Thành
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
60
& cs., 2014). Hầu hết các kỹ thuật cho thấy khả
năng loại bỏ asen nhất định. Trong đó, phương
pháp hấp phụ được đánh giá cao và sử dụng phổ
biến để loại bỏ asen; bởi chi phí thực hiện thấp
(bao gồm chi phí đầu tư và vận hành), có khả
năng loại bỏ asen ở nồng độ cao (tùy thuộc vào kỹ
thuật chế tạo vật liệu hấp phụ), chất hấp phụ có
thể tái sử dụng nhiều lần và ít tạo ra chất độc hại
sau quá trình xử lý (Addo Ntim & cs., 2011;
Nguyễn Trung Thành & cs., 2014). Tuy nhiên, đối
với phương pháp hấp phụ asen, hiệu quả của quá
trình phụ thuộc rất lớn vào kỹ thuật chế tạo vật
liệu và kinh nghiệm của người tổng hợp vật liệu.
Ngoài ra, thời gian cho quá trình hấp phụ hóa học
asen đạt cân bằng được diễn ra rất chậm (Cao &
cs., 2012). Do đó, việc tìm kiếm vật liệu tiên tiến
trong hấp phụ asen vẫn đang thu hút sự quan tâm
của nhiều nhà khoa học.
Gần đây, các vật liệu nano trên cơ bản là oxit sắt
(ví dụ, -Fe2O3; nano oxit sắt trên carbon
nanotube, chitosan và hỗn hợp của oxit sắt với
oxit khác,...) cho thấy hiệu quả hấp phụ asen rất
tốt (Addo Ntim & cs., 2011; Cao & cs., 2012;
Gupta & cs., 2013) và đã có những triển khai thực
tế tại các nước tiên tiến trên thế giới (Gupta & cs.,
2013). Tuy nhiên, ở Việt Nam, các vật liệu này
vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi
trong thực tế. Nhìn chung, các vật liệu hấp phụ
thường được chế tạo thành các hạt có kích thước
nano hoặc các hạt nano được gắn trên bề mặt của
chất mang; và đòi hỏi chất mang phải có diện tích
bề mặt lớn và tương tác mạnh với các hạt này.
Mục đích của việc này là làm tăng diện tích tiếp
xúc và tăng độ bền của các hạt hấp phụ. Kết quả
của việc này là hiệu quả hấp phụ asen của vật liệu
tăng lên đang kể.
Nước phèn được biết như là một dạng nước tự
nhiên và có hai dạng chủ yếu, đó là nước phèn sắt
và nước phèn nhôm. Việc phân loại này dựa vào
thành phần hóa học có trong nước phèn. Đối với
phèn sắt, nước phèn chứa chủ yếu là các ion sắt.
Nước phèn và đất phèn đều ảnh hưởng tiêu cực
đến quá trình sản xuất nông nghiệp, khan hiếm
nước sạch. Cho đến nay việc khai thác và ứng
dụng nước phèn vào khoa học, đời sống vẫn chưa
được khám phá. Trong nghiên cứu này, vật liệu
nano có thành phần là hỗn hợp của các oxit sắt,
oxit silic, oxit nhôm (đây là các nguyên tố có
hàm lượng cao trong nước phèn) lần đầu tiên
được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt trong
hệ thống lò vi sóng được điều khiển tự động và
được chứng minh có hoạt tính cao trong quá trình
hấp phụ asen từ nước ngầm.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1 Vật liệu
2.1.1 Hóa chất
Axit clohydric (HCl - 36% thể tích - xuất xứ
Trung Quốc); NaOH; glycerol - (được cung cấp
bởi Công ty Merck) và nước khử ion (DI water);
được sử dụng trong quá trình tổng hợp chất hấp
phụ. KBr, các dung dịch asen, nhôm, silic, canxi,
magie và sắt chuẩn (được cung cấp bởi Công ty
Merck) được sử dụng trong các phân tích đặc
trưng của vật liệu và đánh giá hàm lượng nhôm,
silic, canxi, magie, sắt và asen trong mẫu thí
nghiệm.
2.1.2 Nước tự nhiên nhiễm phèn
Nước tự nhiên nhiễm phèn được chúng tôi thu
nhận trực tiếp từ nhà dân tại huyện Cần Giờ,
thành phố Hồ Chí Minh. Các công đoạn cơ bản
bao gồm lấy mẫu, bảo quản mẫu (thêm axit
H2SO4 đậm đặc - 3 mL/1 lít nước phèn theo
TCVN 6663:2011) (Bộ Khoa học và Công nghệ,
2008; 2011) và làm sạch mẫu (sử dụng giấy lọc)
đã được tiến hành trước khi sử dụng nước phèn
làm nguyên liệu tổng hợp các hạt nano cho nghiên
cứu này.
2.1.3 Mẫu nước ngầm
Trong các thí nghiệm, các mẫu nước ngầm nhiễm
asen được lấy từ các giếng khoan có các độ sâu ~
20 m tại Chợ Vàm, Phú Tân, tỉnh An Giang, Việt
Nam. Các mẫu nước ngầm được thu tại trạm nước
ngầm. Trước khi phân tích chất lượng nước, các
yêu cầu lưu trữ đối với mẫu nước ngầm được thực
hiện theo hướng dẫn của TCVN 5993-1995 (Chất
lượng nước - Lấy mẫu - Hướng dẫn bảo quản và
xử lý mẫu) và TCVN 6000-1995 (Chất lượng
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
61
nước - Lấy mẫu - Hướng dẫn lấy mẫu nước
ngầm). Cụ thể là 3 mL dung dịch HNO3 63% (sản
xuất tại Trung Quốc) cho vào các mẫu nước ngầm
(1 lít) để đạt pH ~ 3 và sau đó là mẫu nước ngầm
được bảo quản ở điều kiện 5 oC.
2.2 Phương pháp
2.2.1 Tổng hợp vật liệu hấp phụ
Tổng hợp các hạt nano oxit sắt và các hạt nano từ
nước phèn được thực hiện trong thiết bị phá mẫu
bằng vi sóng. Quá trình tổng hợp được mô tả như
sau:
- Tổng hợp các hạt nano oxit sắt (III): hòa tan 6
mmol FeCl3 và 6 mmol urea vào dung môi (gồm
45 mL nước DI và 15 mL etylen glycol) và khuấy
đều. Ống Teflon chứa hỗn hợp có màu cam trong
suốt này được chuyển vào lò phá mẫu vi sóng và
nung ở nhiệt độ 140 oC. Sau thời gian nung 3 giờ,
ống Teflon được làm mát đến nhiệt độ phòng.
Một hỗn hợp huyền phù có màu vàng cam thu
được sau các công đoạn trên. Sau đó, hỗn hợp
huyền phù được ly tâm (15.000 vòng/phút) và rửa
nhiều lần với nước DI; một khối bùn nhão thu
được sau quá trình này. Nano oxit sắt thu được
sau khi sấy khối bùn nhão ở 80 oC trong thời gian
4 giờ. Mẫu nano oxit sắt được lưu trữ trong bình
hút ẩm để chuẩn bị cho các thí nghiệm tiếp theo.
- Tổng hợp các hạt nano từ nước phèn: quá trình
tổng hợp cũng được tiến hành như quá trình tổng
hợp nano oxit sắt. Cách chuẩn bị nguyên liệu như
sau: 6 mmol urea được hòa tan vào 45 mL nước
phèn và 15 mL etylen glycol. Lưu ý rằng nước
phèn được xem là nguồn cung cấp ion sắt (cũng
như các ion khác có trong nước phèn) cho quá
trình tổng hợp vật liệu. Thành phần hóa học cơ
bản của nước phèn được liệt kê trong Bảng 1.
Bảng 1. Các thành phần hóa học cơ bản của nước phèn
Tên nguyên tố Nồng độ ban đầu (mg/L) Nồng độ sau tổng hợp (mg/L)
Fe 40,44 Không phát hiện
Al 5,37 Không phát hiện
Ca 185,6 123,2
Mg 450,85 410,0
Si 6,083 Không phát hiện
2.2.2 Thực nghiệm hấp phụ asen từ nước ngầm
Đối với các thí nghiệm nghiên cứu khả năng loại
bỏ asen từ nước ngầm, các mẫu vật liệu nano oxit
sắt và nano được tổng hợp từ nước phèn được
khảo sát trên mẫu nước ngầm thực tế (có nồng độ
ban đầu 100 µg/L) ở các điều kiện cố định như:
thể tích nước ngầm 50 mL và lượng chất hấp phụ
là 50 mg (đối với các thí nghiệm xác định thời
gian lấy mẫu thích hợp) hoặc 10 mg (đối với các
thí nghiệm xác định dung lượng hấp phụ asen).
Sau thời gian hấp phụ asen, chất hấp phụ được
tách ra bằng cách ly tâm (10.000 vòng/phút) và
dung dịch chiết sau ly tâm được tiến hành phân
tích hàm lượng asen để đánh giá hiệu quả hấp
phụ.
2.2.3 Xác định nồng độ ion asen, sắt, silic, nhôm,
canxi và magie
Nồng độ asen trong các thí nghiệm hấp phụ asen
và hàm lượng sắt, silic, nhôm, canxi và magie
trong mẫu nước phèn và nano oxit nước phèn
được xác định bằng phương pháp phát xạ ngọn
lửa với máy ICP (Industively coupled plasma;
iCap-6000, Thermal). Các dung dịch asen, sắt,
silic, nhôm, canxi và magie chuẩn được pha chế
từ các dung dịch chuẩn của Công ty Merck để xây
dựng các đường chuẩn phục vụ cho việc xác định
hàm lượng asen, sắt, silic, nhôm, canxi và magie.
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
62
2.2.4 Phân tích đặc trưng của mẫu
Các phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu được thực
thực hiện với máy D2 Phaser XRD 300 W, bước
gốc quay là 0,05o, bước thời gian 30 s sử dụng
nguồn phát xạ là Cu Kα (λ= 1,5406 Å). Hình dạng
và kích thước hạt của nano oxit sắt và nano oxit
phèn sắt được chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM). Đặc trưng thành phần hóa học
bề mặt của các mẫu được thực hiện bằng phương
pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR) với máy
Alpha – Bruker.
2.2.5 Tính toán hiệu quả hấp phụ asen của chất
hấp phụ
Hiệu quả xử lý asen trong nước ngầm được tính
toàn dựa vào công thức sau:
100%
o
eo
C
CC
H
Xác định khả năng hấp phụ asen từ nước ngầm
của vật liệu:
V
m
CC
q eo
Trong đó, Co và Ce lần lượt là nồng độ asen ban
đầu và sau khi tiếp xúc 40 phút đối với vật liệu
hấp phụ; V là thể tích của nước ngầm được nghiên
cứu hấp phụ (50 mL); m là khối lượng của vật liệu
hấp phụ được sử dụng (10 mg).
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Tổng hợp nano oxit sắt và nano oxit phèn
sắt
Các vật liệu hấp phụ được tổng hợp theo qui trình
đã được mô tả trong phần thực nghiệm. Quy trình
tổng hợp các vật liệu trong nghiên cứu này được
phát triển theo phương pháp của Zhenhua Wei.
Tuy nhiên, trong quá trình tổng hợp, glycerol
được thay thế bằng etylen glycol. Ở đây, phương
pháp của Zhenhua Wei (Zhenhua Wei & cs.,
2012) được chọn làm phương pháp cơ bản cho
tổng hợp nano oxit phèn sắt bởi sự tương thích về
dung môi; nồng độ sắt và dạng muối sắt trong quá
trình tổng hợp.
Trong quá trình tổng hợp, urea đóng vai trò như
một chất hydroxyt hóa các ion sắt trong dung dịch
và etylen glycol có thể đóng vai trò là chất hoạt
động bề mặt để điều chỉnh hình dạng của các hạt
nano oxit sắt (như đã được xác định trong nghiên
cứu của Zhenhua Wei (Zhenhua Wei & cs.,
2012)). Cơ chế hydroxyt hóa các ion sắt bởi urea
được trình bày như bên dưới.
CO(NH2)2 + 3 H2O CO2 + 2 NH4OH
3 NH4OH + FeCl3 3 NH4Cl + Fe(OH)3
Trong nghiên cứu này, thiết bị phá mẫu vi sóng
lần đầu tiên được sử dụng tổng hợp nano oxit sắt
và nano oxit phèn sắt bằng phương pháp thủy
nhiệt. Thiết bị phá mẫu vi sóng được sử dụng bởi
có nhiều ưu điểm vượt trội so với các thiết bị
được sử dụng tổng hợp oxit sắt trước đây, như: (i)
thời gian tổng hợp mẫu nhanh hơn (do sử dụng vi
sóng) (Ho V.T.T & cs., 2011); (ii) có thể theo dõi
các thông số trong bình phản ứng và cài đặt nhiệt
độ và áp suất theo mọi yêu cầu tổng hợp; (iii) có
thể tổng hợp nhiều mẫu đồng thời; điều này rất
thuận lợi cho việc thực nghiệm khi cần theo dõi
ảnh hưởng của các yếu tố khác (nhiệt độ, áp suất,
tốc độ nâng nhiệt và thời gian nung) đến quá trình
tổng hợp và hoạt tính hấp phụ/xúc tác.
140 oC
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
63
A B
Hình 1. Ảnh TEM của nano oxit sắt (A) và nano oxit phèn sắt (B)
3.2 Các đặc trưng TEM của vật liệu
Các ảnh TEM của các mẫu vật được thể hiện
trong Hình 1. Nhìn chung, các mẫu nano oxit sắt
(Hình 1A) và nano oxit phèn sắt (Hình 1B) đều có
kích thước nano và < 50 nm. Đối với các hạt nano
oxit sắt, mẫu thu được có hình dạng flower - like
(như bông hoa) và có mức độ đồng nhất hình dạng
rất cao. Tuy nhiên, khi so sánh với kết quả trước
đây, Zhenhua Wei và cs. (2012) thu được các hạt
nano oxit sắt có hình dạng nest - like (như tổ yến,
hạt có hình cầu rỗng được tạo thành từ các hạt
nano hình que nhỏ hơn) và kích thước của hạt
nano oxit sắt nest - like > 400 nm.
Bảng 2. So sánh sản phẩm nano oxit sắt trong nghiên cứu này và nghiên cứu của Zhenhua Wei
Nano oxit
sắt
Phương pháp
tổng hợp
Hoá chất điều
khiển hình dạng
Hình dạng hạt
Kích thước hạt
trung bình
Trong
nghiên
cứu này
Phương pháp thuỷ
nhiệt có sự hỗ trợ
của vi sóng
Etylen glycol
Flower - like (hạt có hình
cầu được tạo thành từ các
hạt nano hình cầu)
< 50 nm
Trong
nghiên
cứu của
Zhenhua
Wei và cs.
(2012)
Phương pháp thuỷ
nhiệt với thiết bị
autoclave
Glycerol
Nest - like (hạt có hình cầu
rỗng được tạo thành từ các
hạt nano hình que nhỏ hơn)
~ 400 nm
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
64
Như vậy, sản phẩm nano oxit sắt trong nghiên cứu
này có sự khác biệt khá lớn so với sản phẩm nano
oxit sắt trong nghiên cứu của Zhenhua Wei và cs.
(2012). Sự khác biệt sản phẩm nano oxit sắt được
tổng kết như trong Bảng 2. Sự khác biệt này có
thể giải thích như sau:
Về hình dạng các hạt nano oxit sắt, sự khác biệt
này có thể là do sự khác biệt về hoá chất điều
khiển hình dạng hạt nano oxit sắt được sử dụng
trong tổng hợp. Tuy nhiên, các hình dạng của oxit
sắt trong cả hai nghiên cứu đều đạt được có thể là
do sự kết hợp của các hạt nano có kích thước nhỏ
hơn. Sự kết hợp này có thể do các chất điều khiển
hình dạng (glycerol hoặc etylen glycol) hấp phụ
trên bề mặt của các hạt nano oxit sắt có kích
thước nhỏ và liên kết (bằng cách tạo phức chất)
các hạt nano oxit sắt nhỏ lại với nhau để hình
thành những hình dạng sau cùng (nest - like hoặc
flower - like) như được thấy trong Hình 1A.
Về kích thước hạt, các hạt nano oxit sắt trong
nghiên cứu này có kích thước hạt trung bình (~ 30
nm, tính trên tổng số 100 hạt) nhỏ hơn so với các
hạt oxit sắt trong nghiên cứu của Zhenhua Wei và
cs. (2012). Điều này có thể do vật liệu được tổng
hợp bằng phương pháp thuỷ nhiệt có hỗ trợ của vi
sóng. Như đã đề cập ở trên, vi sóng sẽ giúp phản
ứng diễn ra nhanh hơn so với phản ứng được thực
hiện dưới các nguồn năng lượng khác. Chính vì
vậy các hạt mầm hydroxyt sắt được tạo ra nhiều
trong giai đoạn tạo mầm và kết quả là các hạt
nano oxit sắt sẽ cho kích thước nhỏ (Nguyễn
Trung Thành & cs., 2014).
Đối với các hạt nano oxit phèn sắt (Hình 1B), mẫu
thu được có nhiều hình dạng khác như là
octaheron, hình cầu và các hình không xác định;
kích thước hạt trung bình ~19 nm (tính trên tổng
số 100 hạt). Sự khác biệt này (so với mẫu nano
oxit sắt) có thể do nước phèn chứa nhiều cấu tử
khác ngoài ion sắt; ví dụ như silic, nhôm, canxi,
magie.. như được thể hiện trong Bảng 1; và có tốc
độ hydroxyt và khả năng tạo phức với etylen
glycol khác nhau. Do đó, khi bị hydroxyt hóa, các
hydroxyt của các ion này có thể dễ dàng tách ra
khỏi dung dịch ở kích thước rất nhỏ và đóng vai
trò là các hạt mầm cho quá trình hình thành các
hạt nano; cùng với một lượng mầm lớn như vậy sẽ
điều khiển toàn quá trình tạo oxit (kể cả hình dạng
và kích thước hạt nano thành phẩm). Với một
lượng hạt mầm đủ lớn sẽ giúp các hạt nano được
tổng hợp từ nước phèn sẽ nhỏ hơn so với các hạt
nano oxit sắt.
Ngoài ra, các kết quả phân tích nồng độ các cấu tử
trong dịch nước phèn trước và sau quá trình tổng
hợp các hạt nano oxit phèn sắt (xem Bảng 1) cho
thấy rằng, hầu hết các cấu tử trong dung dịch đã
chuyển hoàn toàn vào trong cấu trúc của các hạt
nano oxit phèn sắt. Do đó có thể nói rằng phương
pháp thủy nhiệt này cho hiệu quả cao trong quá
trình tổng hợp nano oxit phèn sắt.
3.3 Đặc trưng FTIR của vật liệu
Đặc trưng phổ hồng ngoại (FTIR) của các mẫu
nano oxit sắt và nano oxit phèn sắt được thể hiện
trong Hình 2. Từ Hình 2 cho thấy rằng các peak ở
các số sóng là 580, 630 cm-1 được đặc trưng cho
dao động của Fe-O-Fe (Shen & cs., 2012); tuy
nhiên, đối với mẫu nano oxit phèn sắt được quan
sát thấy các peak lạ (so với mẫu nano oxit sắt) ở
các số sóng 760 và 1100 cm-1 và đây tương ứng là
các mũi dao động của Al-O (Reshetenko & cs.,
2004) và Si-O (Shen & cs., 2012). Nhìn chung,
mẫu nano oxit phèn sắt là hợp phần của các oxit
khác nhau, trong đó oxit sắt chiếm tỷ lệ cao nhất.
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
65
Hình 2. Phổ FTIR của nano oxit sắt và nano oxit phèn sắt
3.4 Đặc trưng XRD của vật liệu
Tiếp theo các mẫu vật liệu được theo dõi đặc
trưng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Phổ
nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu được thể hiện
trong Hình 3. Từ các phổ nhiễu xạ tia X có thể kết
luận rằng các mẫu oxit sắt và oxit phèn sắt có cấu
trúc tinh thể. Các phổ thu nhận được thì các peak
nhiễu xạ đặc trưng cho các nhiễu xạ của oxit sắt;
tuy nhiên đối với mẫu nano oxit phèn sắt xuất
hiện các peak nhiễu xạ khác biệt ở 2θ khoảng 23o,
41o và 50o so với phổ nhiễu xạ tia X của mẫu oxit
sắt và được biết tương ứng nhiễu xạ của các oxit
silic (Deng & cs., 2007), oxit nhôm (Masue & cs.,
2006). Ngoài ra, từ các phổ nhiễu xạ này kích
thước các hạt nano được tính từ công thức Bragg
(xin xem trong phần thực nghiệm) và kết quả tính
toán được thể hiện trong Bảng 3. Điều thú vị là
các hạt nano oxit phèn sắt có kích thước nhỏ hơn
kích thước của các hạt nano oxit sắt và kết quả
này hoàn toàn tương thích với kết quả xác định
kích thước hạt từ hình TEM (Hình 1).
Bảng 3. Kích thước hạt nano oxit sắt và nano oxit phèn sắt
Hình 3. Phổ nhiễu xạ tia - X của nano oxit sắt (1) và nano oxit phèn sắt (2).
Trong đó * là các mũi nhiễu xạ của oxit sắt (III)
Vật liệu
Kích thước hạt (nm)
(tính từ phổ nhiễu xạ tia X)
Kích thước hạt (nm)
(xác định từ hình TEM)
Nano oxit sắt 32,4 30 2
Nano oxit phèn sắt 21,3 19 3
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
66
3.5 Hoạt tính hấp phụ asen
Tiếp theo các vật liệu được kiểm tra hoạt tính hấp
phụ asen từ nước ngầm. Ở đây nước ngầm thật sự
được chọn với mục đích khảo sát hoạt tính hấp
phụ asen của các vật liệu trong điều kiện ảnh
hưởng thật sự của các yếu tố ngẫu nhiên trong đó
bao gồm sự cạnh tranh hấp phụ đồng thời của các
ion kim loại nặng và các cấu tử khác có trong
nước ngầm trong quá trình hấp phụ asen. Thêm
vào đó, giá trị pH ban đầu của nước phèn (pH ~7)
sẽ được giữ nguyên cho tất cả thí nghiệm. Điều
này sẽ giúp đánh giá khả năng thật sự của vật liệu
và đây là tiền đề có ý nghĩa rất lớn khi triển khai
ứng dụng vật liệu trong thực tiễn. Thực nghiệm
khảo sát hoạt tính hấp phụ asen từ nước ngầm
được tiến hành trong điều kiện tĩnh. Xin xem
thêm phần thực nghiệm để biết thêm chi tiết.
3.5.1 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả hấp
phụ
Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ là
một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến
hiệu quả hấp phụ và quyết định tốc độ lọc khi
triển khai ứng dụng vật liệu vào thực tiễn. Hình 4
cho thấy ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc giữa
vật liệu hấp phụ và nước ngầm. Kết quả thực
nghiệm cho thấy rằng, các vật liệu hấp phụ đạt
đến trạng thái cân bằng sau thời gian 40 phút và
thời gian đạt cân bằng tương đương với kết quả
nghiên cứu trước đây (Wu & cs., 2012). Tuy
nhiên, hiệu quả hấp phụ asen của vật liệu nano
oxit phèn sắt cao hơn so với hiệu quả hấp phụ
asen của vật liệu nano oxit sắt ở mọi thời điểm.
Điều này sẽ được giải thích sau. Từ kết quả nhận
được trong Hình 4, các thí nghiệm so sánh/đánh
giá hiệu quả hấp phụ asen cho các vật liệu khác sẽ
được thực hiện tại mốc thời gian lưu 40 phút.
Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu quả hấp phụ
3.5.2 So sánh hoạt tính hấp phụ asen của các vật
liệu
Trong nghiên cứu này, khái niệm "dung lượng
asen bị hấp phụ" được sử dụng để thể hiện hàm
lượng asen bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng
sắt. Ngoài ra, để xác định dung lượng asen bị hấp
phụ, các thí nghiệm được tiến hành với điều kiện
sử dụng lượng vật liệu hấp phụ nhỏ (trong đây
lượng vật liệu được sử dụng 10 mg) để hàm lượng
As bị loại bỏ khỏi dung dịch < 90% và cố định
các thông số khác (thời gian hấp phụ là 40 phút và
pH trung tính). Cách tính dung lượng hấp phụ
asen của vật liệu được trình bày chi tiết trong
phần thực nghiệm.
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
67
Hình 5. So sánh hiệu quả hấp phụ asen của nano oxit phèn sắt và nano oxit sắt
Kết quả tính toán dung lượng hấp phụ asen của
các vật liệu được thể hiện trong Hình 5. Từ kết
quả trong Hình 5 cho thấy rằng, dung lượng hấp
phụ asen của nano oxit phèn sắt cao hơn so với
dung lượng hấp phụ asen của nano oxit sắt. Điều
này có thể là do sự khác biệt về thành phần hóa
học giữa nano oxit sắt và nano oxit phèn sắt. Như
đã thể hiện ở trên về thành phần hóa học của mẫu
nước phèn và phổ nhiễu xạ tia X của nano oxit
phèn sắt thì mẫu nano oxit phèn sắt chứa các cấu
tử khác (ngoài sắt) như: silic và nhôm. Chính sự
pha tạp của các cấu tử nhôm (Masue & cs., 2006)
và silic (Francesco Arenaa & cs., 2005) trong cấu
trúc oxit sắt có thể làm tăng hiệu quả hấp phụ
asen. Sự hiện diện của silic trong cấu trúc oxit sắt
sẽ làm tăng hiệu quả hấp phụ asen có thể được
giải thích như sau: sự tương tác mạnh giữa silic
oxit và oxit sắt có thể làm tăng khả năng tích điện
dương trên bề mặt oxit sắt; cơ chế của quá trình
này có thể được trình bày trong Hình 6. Kết quả
của quá trình tích điện dương trên bề mặt oxit sắt
sẽ làm tăng hiệu quả hấp phụ asen so với vật liệu
nano oxit sắt.
Hình 6. Mô tả tương tác mạnh giữa chất mang oxit và oxit sắt
(Francesco Arenaa & cs., 2005)
4. KẾT LUẬN
Các vật liệu nano oxit sắt và nano oxit phèn sắt đã
được tổng hợp thành công và cũng được đặc trưng
bằng các phân tích hiện đại như TEM, FTIR và
XRD. Vật liệu nano oxit phèn sắt cho hiệu quả
hấp phụ cao đối với asen từ nước ngầm so với
hiệu quả hấp phụ asen của nano oxit sắt. Ở đây,
dung lượng hấp phụ asen của vật liệu nano oxit
phèn sắt cao so với vật liệu nano oxit sắt có thể là
do sự tương tác điện tử giữa oxit sắt và các oxit có
trong cấu trúc (ví dụ như oxit silic, oxit canxi...).
Vật liệu nano oxit phèn sắt có thể đánh giá là một
dạng vật liệu mới và có đầy triển vọng để triển
khai áp dụng thực tế. Tạo điều kiện ứng dụng/khai
thác nước phèn nhiễm sắt như một nguyên liệu để
sản xuất các vật liệu quí giá.
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 18 (6), 59 – 68
68
Lời cảm tạ: Chân thành cảm ơn Đại học An
Giang đã hỗ trợ thiết bị phân tích để hoàn thành
nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Addo Ntim, S. & S. Mitra. (2011). Removal of
Trace Arsenic To Meet Drinking Water
Standards Using Iron Oxide Coated Multiwall
Carbon Nanotubes. Journal of Chemical &
Engineering Data, 56(5), 2077 - 2083.
Bộ Khoa học và Công nghệ. (2008). TCVN 6663-
3:2008 - Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 3:
Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu.
Bộ Khoa học và Công nghệ. (2011). TCVN 6663-
1:2011 - Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 1:
Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ
thuật lấy mẫu.
Cao, C.Y., J. Qu & et al. (2012). Low-Cost
Synthesis of Flowerlike α-Fe2O3
Nanostructures for Heavy Metal Ion Removal:
Adsorption Property and Mechanism.
Langmuir, 28(9), 4573 - 4579.
Deng, Y., Qi, D., Deng, C., Zhang, X. & Zhao, D.
(2007). Superparamagnetic High-
Magnetization Microspheres with an Fe3O4-
SiO2 Core and Perpendicularly Aligned
Mesoporous SiO2 Shell for Removal of
Microcystins. Journal of the American
Chemical Society, 130(1), 28.
Francesco Arenaa, G. G., Gianmario Martrab,
Salvatore Colucciab, Lorenzo Stievanoc,
Lorenzo Spadarod, Pio Famularia & Adolfo
Parmalianaa. (2005). Structure and reactivity
in the selective oxidation of methane to
formaldehyde of low-loaded FeOx/SiO2
catalysts. Journal of Catalysis, 231, 365 - 380.
Gupta, A., M. Yunus & Nalini
Sankararamakrishnan. (2013). Chitosan - and
Iron–Chitosan-Coated Sand Filters: A Cost-
Effective Approach for Enhanced Arsenic
Removal. Industrial & Engineering Chemistry
Research, 52(5), 2066 - 2072.
Ho, V. T. T., Pan, C.J., Rick, J., Su, W.N. &
Hwang, B.J. (2011). Nanostructured
Ti0.7Mo0.3O2 Support Enhances Electron
Transfer to Pt: High-Performance Catalyst for
Oxygen Reduction Reaction. Journal of the
American Chemical Society, 11716.
Lê Hoàng Việt, N. H. C., Huỳnh Long Toản &
Phan Thanh Thuận. (2013). Xử lý nước dưới
đất ô nhiễm arsenic qui mô hộ gia đình. Tạp
chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 25(A),
36 - 43.
Masue, Y., Loeppert, R. H. & Kramer, T. A.
(2006). Arsenate and Arsenite Adsorption and
Desorption Behavior on Coprecipitated
Aluminum: Iron Hydroxides. Environmental
Science & Technology, 41(3), 837.
Nguyễn Trung Thành, Võ Đan Thanh & Phan
Phước Toàn. (2014). Giải pháp thích hợp để
loại bỏ asen trong nước ngầm tại các vùng
nông thôn Việt Nam. Tạp chí Khoa học
Trường Đại học Cần Thơ, 33(A), 101 - 108.
Reshetenko, T. V., Avdeeva, L. B., Khassin, A.
A., Kustova, G. N., Ushakov, V. A., Moroz, E.
M., Shmakov, A. N., Kriventsov, V. V.,
Kochubey, D. I., Pavlyukhin, Y. T., Chuvilin,
A. L. & Ismagilov, Z. R. (2004).
Coprecipitated iron-containing catalysts (Fe-
Al2O3, Fe-Co-Al2O3, Fe-Ni-Al2O3) for
methane decomposition at moderate
temperatures I. Genesis of calcined and
reduced catalysts. Appl. Catal. A: Gen., 268
(1-2), 127.
Shen, M., H. Cai, & et al. (2012). Facile one-pot
preparation, surface functionalization, and
toxicity assay of APTS-coated iron oxide
nanoparticles. Nanotechnology, 23(10),
105601.
Wei, Z., Xing, R., Zhang, X., Liu, S., Yu, H. &
Li, P. (2012). Facile Template-Free
Fabrication of Hollow Nestlike α-Fe2O3
Nanostructures for Water Treatment. ACS
Applied Materials & Interfaces, 5(3), 598.
Wu, Z., W. Li & et al. (2012). General and
Controllable Synthesis of Novel Mesoporous
Magnetic Iron Oxide@Carbon Encapsulates
for Efficient Arsenic Removal. Advanced
Materials, 24(4), 485 - 491.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- dac_trung_va_hoat_tinh_hap_phu_asen_cua_cac_hat_nano_duoc_to.pdf