Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở nanocomposite của sio2 và ống nanocarbon từ nguyên liệu vỏ trấu

  • Số trang: 78 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 1825 |
  • Lượt tải: 6
nguyetha

Đã đăng 8490 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2014 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thị Hà NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CỦA SiO2 VÀ ỐNG NANOCARBON TỪ NGUYÊN LIỆU VỎ TRẤU Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Trần Hùng PGS.TS. Nguyễn Văn Nội Hà Nội - 2014 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1 - TỔNG QUAN .................................................................................... 12 1.1. TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU .................................................... 12 1.1.1. Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta...................... 12 1.1.2. Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp........................... 13 1.2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON .......................................... 19 1.2.1. Giới thiệu về vật liệu nano cacbon ............................................................... 19 1.2.2. Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon................................................... 20 1.2.3. Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon .................................................. 23 1.2.4. Ứng dụng vật liệu nano cacbon trong xử lý nước ......................................... 25 1.3. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ ............................................... 26 1.3.1. Hiện tượng hấp phụ ..................................................................................... 26 1.3.2. Hấp phụ trong môi trường nước ................................................................... 27 1.3.3. Động học hấp phụ ........................................................................................ 28 1.3.4. Cân bằng hấp phụ- Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ............................ 29 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM CHÌ ..................................... 32 1.4.1. Các dạng tồn tại của kim loại Chì ................................................................ 32 1.4.2. Độc tính của chì ........................................................................................... 33 1.4.3. Ứng dụng của chì ......................................................................................... 35 1.4.4. Các phương pháp xử lý ô nhiễm chì ............................................................. 36 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 39 2.1.1. Mục tiêu ...................................................................................................... 39 3 2.1.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................... 39 2.2. Hóa chất, dụng cụ ........................................................................................... 39 2.2.1. Dụng cụ - Thiết bị ........................................................................................ 39 2.2.2. Hóa chất ...................................................................................................... 40 2.3. Các phương pháp sử dụng trong thực nghiệm ................................................. 40 2.3.1. Phương pháp xác định hàm lượng SiO2........................................................ 40 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................... 42 2.3.3. Nhiễu xạ Rơnghen X (X-ray diffraction XRD) ............................................ 44 2.3.4. Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS. ................................... 45 2.4. Chế tạo vật liệu ............................................................................................... 46 2.4.1. Chế tạo nano silica ....................................................................................... 46 2.4.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT....................................... 47 2.4.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT .................................... 48 Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 50 3.1. Chế tạo nano silica .......................................................................................... 50 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của công đoạn xử lý axit .............................................. 50 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của chế độ nung ........................................................... 54 3.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT ......................................... 58 3.3. Biến tính vật liệu tổ hợp nano composite SiO2/CNT ....................................... 58 3.4. Khảo sát, đánh giá đặc tính của vật liệu .......................................................... 58 3.4.1. Kết quả phân tích ảnh SEM ......................................................................... 58 3.4.2. Kết quả phân tích XRD ................................................................................ 59 3.5. Khảo sát khả năng hấp phụ tĩnh ion Pb2+ của vật liệu ..................................... 60 3.5.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Pb2+ .................................................... 60 4 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+ ............................... 62 3.5.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+của vật liệu...................................... 63 3.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ Pb2+ ....................... 65 3.6.1. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của CNT ........................................ 66 3.6.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của nano silica ............................... 67 3.6.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ của nano composite chưa biến tính . 68 3.6.4. Đánh giá tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu ...................................... 70 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 72 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 73 5 LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Trần Hùng và PGS.TS. Nguyễn Văn Nội đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh, chị tại Viện Hóa Học Vật liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Quân Sự đã chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Nhân dịp này em xin được chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Hóa Môi trường và Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ, trang bị cho em các kiến thức khoa học cơ bản trong suốt quá trình tôi học tập tại trường. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 08 tháng 11 năm 2014 Học viên cao học Bùi Thị Hà 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Trang Hình 1. Sơ đồ quy trình thu hồi Si từ trấu ......................................................... ...4 Hình 2. Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro đốt ..................................................... ...6 Hình 3. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen ............................................... 10 Hình 4. Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNT........................................ 11 Hình 5. Mô tả cấu trúc của SWCNT và MWCNT .................................................. 12 Hình 6. Mô tả cấu trúc của SWCNT...................................................................... 12 Hình 7. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ...................................................... 22 Hình 8. Đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ..................................................... 22 Hình 9. Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Pb ............................................. 23 Hình 10. Tia tới và tia phản xạ trên tinh thể ......................................................... 34 Hình 11. Quy trình chế tạo nano silica từ trấu...................................................... 37 Hình 12. Sơ đồ quá trình biến tính SiO2/CNT bằng hỗn hợp axit .......................... 38 Hình 13. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào thời gian xử lý .................................. 41 Hình 14. Sự phụ thuộc hàm lượng Si vào nhiệt độ xử lý ................................... 42 Hình 15. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào tỉ lệ trấu/axit..................................... 43 Hình 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu ............... 45 Hình 17. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu .............. 46 Hình 18. Ảnh SEM của nano silica ....................................................................... 49 Hình 19. Ảnh SEM của nanocomposite SiO2/CNT ................................................ 49 Hình 20. Kết quả đo XRD của vật liệu nanocomposite.......................................... 50 Hình 21. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu ......... 51 Hình 22. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu .................. 52 Hình 23. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với Pb2+ ...................................... 54 Hình 24. Đường thẳng xác định hệ số của phương trình Langmuir với Pb2+ ........ 54 7 Hình 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu........... 56 Hình 26. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của CNT với Pb2+ ...... 57 Hình 27. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của nano silica với Pb2+.. ................................................................................................................... 58 Hình 28. Đường thẳng định hệ số phương trình Langmuir của vật liệu chưa biến tính với Pb2+ ......................................................................................................... 59 Hình 29. Khả năng hấp phụ Pb2+ của vật liệu....................................................... 60 8 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng .......................................... 20 Bảng 2. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào thời gian xử lý .................................... 40 Bảng 3. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào nhiệt độ xử lý ..................................... 42 Bảng 4. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào tỉ lệ trấu/axit ...................................... 43 Bảng 5. Sự phụ thuộc hàm lượng SiO2 vào số lần tái sử dụng ............................... 44 Bảng 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu ................. 45 Bảng 7. Ảnh hưởng của thời gian nung đến hàm lượng SiO2 trong trấu................ 46 Bảng 8. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến kích thước hạt SiO2 ......................... 47 Bảng 9. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến khối lượng vật liệu .......................... 48 Bảng 10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Pb2+ . 51 Bảng 11. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Pb2+ .......... 52 Bảng 12. Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb2+.......... 53 Bảng 13. Kết quả khảo sát nhiệt độ tối ưu hấp phụ Pb2+....................................... 55 Bảng 14. Kết quả khảo sát Langmuir với CNT...................................................... 56 Bảng 15. Kết quả khảo sát Langmuir với nano silica ............................................ 58 Bảng 16. Kết quả khảo sát Langmuir với vật liệu chưa biến tính .......................... 59 Bảng 17. Tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu với Pb2+ .................................... 60 9 CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Giải thích BRHA Tro trấu đen CNF Sợi nano cacbon CNT Ống nano cacbon CVD Chemical vapour deposition MWCNT Ống nano cacbon đa lớp SEM Kính hiển vi điện tử quét SWCNT Ống nano cacbon đơn lớp WRHA Tro trấu trắng XRD Nhiễu xạ tia X 10 MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng bỏng được cả thế giới quan tâm. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Tình trạng thiếu nước và thiếu cơ hội tiếp cận với nguồn nước an toàn là một vấn đề lớn của toàn cầu. Trên thế giới có 884 triệu người không được tiếp cận với các nguồn cung cấp nước an toàn. Có 3,6 triệu người chết mỗi năm do các bệnh về nước; 98% ca tử vong do sử dụng nước ô nhiễm rơi vào các nước đang phát triển. Nguồn nước bị ô nhiễm thường chứa các hợp chất có hại cho sức khỏe của con người như các hợp chất hữu cơ, vô cơ, các nguyên tố phóng xạ… Trong đó đáng lưu ý là các ion kim loại nặng. Sử dụng nguồn nước ô nhiễm asen, chì, mangan, thường gây ra một số bệnh như ung thư da, phổi, rối loạn hệ thần kinh,... Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Hiện nay đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học, phương pháp hóa học...Trong đó phương pháp hấp phụ - sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên như bã mía, lõi ngô, vỏ đậu, vỏ lạc, rau câu,.... để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nước đã được một số tác giả trên thế giới và trong nước nghiên cứu. Phương pháp xử lý sử dụng VLHP có nhiều ưu việt so với các phương pháp xử lý khác như giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại. Vỏ trấu là một nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lượng hàng năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền này, chúng tôi tập trung nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ trên cơ sở nanocomposite của SiO2 và ống nanocarbon từ vỏ trấu”. 11 Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 1.1.1. Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới với sản lượng lúa năm 2011 đạt khoảng 42 triệu tấn. Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương của Liên Hiệp Quốc (FAO), Việt Nam giữ vị trí lớn thứ hai thế giới về tiêu thụ gạo tính theo bình quân đầu người với 166 kg/người/năm. Do đó, lượng vỏ trấu được tạo ra hàng năm ở Việt Nam là rất lớn, khoảng 7 – 8 triệu tấn/năm, như một loại vật liệu thải của ngành nông nghiệp mà chưa được khai thác hợp lý nên rất lãng phí. Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu là cellulose, lignin và Hemi – cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25 – 30% và cellulose chiếm khoảng 35 – 40%. Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân. Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt. Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và rẻ tiền. Vỏ trấu dạng khô, có hình dáng nhỏ và rời, tơi xốp, nhẹ, vận chuyển dễ dàng. Thành phần là chất sơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít. Ngoài ra, vỏ trấu còn có thể dùng làm thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, giá thể trong sản xuất men giống để trồng nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại. Vỏ trấu được nghiền nhỏ tạo thành bột dưới dạng mịn và bột sợi. Trấu được người dân sử dụng rất nhiều để đun nấu nhưng ngày nay gần như không còn được sử dụng nữa do bếp gas, bếp điện phổ biến hơn rất nhiều. Trấu thải bỏ từ các nhà máy xay bị cuốn trôi và chảy xuống sông gây ô nhiễm nguồn nước. Bên cạnh đó, người dân thường đốt vỏ trấu sau mỗi mùa thu hoạch mà không đảm 12 bảo được sự an toàn phòng cháy chữa cháy. Hơn nữa, việc đốt trấu còn tạo ra những đám mây đen chứa hơi cay gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Những đám mây đen chứa khói bụi này rất nguy hiểm cho sức khỏe con người đặc biệt là trẻ em và người lớn tuổi. Vì vậy, việc tìm ra hướng khai thác và xử lý trấu hợp lý không những tận dụng được nguồn nguyên liệu vỏ trấu thải mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 1.1.2. Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp Hiện nay, trấu đã được tận dụng làm nhiên liệu trong các lò đốt (nhà máy nhiệt điện, lò sản xuất gạch,…) trong sản xuất giấy;… Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu làm chất đốt là lượng phế phẩm tro trấu thải ra sau quá trình đốt, nung là rất lớn. Phế phẩm này là rất khó xử lý, do chứa một lượng lớn SiO2, nên hầu hết được thải ra môi trường. Trong nhiều năm gần đây, tận dụng tro trấu từ vỏ trấu vào các ngành sản xuất khác nhau đã được tập trung nghiên cứu. Hiện nay, tro trấu cũng đã được sử dụng có hiệu quả trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp sản xuất xi măng, chế biến cao su, công nghiệp thép để sản xuất các loại thép tấm chất lượng cao và vật liệu cách nhiệt [3]. Một số loại tro trấu chất lượng cao đã được sản xuất thành công để làm phụ gia hoạt tính nhằm nâng cao chất lượng cho bê tông xi măng [3,4,17]. Tro trấu cũng được ứng dụng để sản xuất viên nhiên liệu [7] hoặc sản xuất nhiên liệu lỏng [11]. Điều đặc biệt của SiO2 thu hồi từ tro trấu là khả năng phục hồi và tái sinh cao, giá thành rẻ. Với nhiều ứng dụng như thế nên việc nghiên cứu thu hồi SiO2 có nhiều ý nghĩa thực tế. 1.1.3. Tổng quan các phương pháp thu SiO2 từ trấu 1.1.3.1. Các công nghệ nhiệt phân trấu thu SiO2 Các công nghệ nhiệt phân được sử dụng để thu hồi SiO2 từ trấu. Đây là quá trình sử dụng nhiệt độ cao để phân hủy chất rắn, nếu trong điều kiện có oxi thì quá 13 trình cháy, còn nếu trong điều kiện thiếu oxi sẽ tùy theo điều kiện khống chế nhiệt độ mà quá trình là khí hóa hay nhiệt phân. a. Công nghệ nhiệt phân trấu trong các lò nung Theo phương pháp này, trấu được nhiệt phân trong các lò nung ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí, hoặc môi trường N2. Sản phẩm thu được là tro trấu đen hay tro trấu trắng được quyết định bởi quá trình nung. Nếu nung trong dòng N2 (quá trình khí hóa), sản phẩm thu được là tro trấu đen, nếu nung trong không khí thì thu được sản phẩm tro trấu trắng. Để thu hồi tro trấu có độ tinh khiết cao, có thể kết hợp các quá trình xử lý mẫu trước khi nung. Quá trình thu hồi phải trải qua hai giai đoạn: (i) xử lý axit, (ii) nung ở nhiệt độ cao. Sơ đồ thu hồi được đưa ra trong hình 1. Trấu Rửa nước, sấy khô Xử lý axit Rửa loại hết axit Bã rắn Sấy khô Trấu sạch Nung ở nhiệt độ cao Tro trấu Hình 1. Sơ đồ quy trình thu hồi Si 14 từ trấu Bằng phương pháp thu hồi này, tro trấu thu được có hàm lượng SiO2 là rất cao (> 90%), diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước hạt nhỏ. b. Nhiệt phân chậm thành tro kết hợp thủy phân tro trong dung dịch kiềm Theo phương pháp này, tro đốt sẽ được thủy phân trong dung dịch kiềm để tạo thành muối natri silicat. Sau đó, axit hóa dung dịch thu được bằng HCl thì xảy ra phản ứng: Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 H2SiO3 trong dung dịch tự trùng hợp theo phản ứng sau: nH2SiO3 = (SiO2)n + nH2O Trong dung dịch, các mầm hạt (SiO2)n lớn dần lên và phát triển thành các hạt sol liên kết với nhau tạo thành gel. Gel thu được đem rửa sạch để loại bỏ các chất bẩn, sau đó sấy và nung ta sẽ thu được SiO2. Rõ ràng hiệu suất thu hồi SiO2 từ tro trấu phụ thuộc chủ yếu vào các giai đoạn các “alkoxit oxit silic” này thủy phân trong môi trường kiềm. Bằng phương pháp này, chỉ thu được tro trấu trắng chứa SiO2 tinh khiết. Ngoài ra, đây là một phương pháp khá phức tạp nên ít được sử dụng. Một quy trình cụ thể thu hồi SiO2 tinh khiết từ tro trấu có thể được hình dung theo sơ đồ hình 2, gồm các bước sau: - Vỏ trấu sau khi được rửa sạch hết các tạp chất được phơi khô. Sau đó, tiến hành đốt trấu trong các lò đốt thông dụng. Trấu cháy hoàn toàn thành tro. Bảo quản tro trong lọ kín tránh tiếp xúc với hơi nước; - Tiến hành thủy phân tro trấu trong dung dịch NaOH; - Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn, tiến hành quá trình lọc để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư ra khỏi dung dịch (dung dịch 1), thu được dung dịch 2. Nếu dung dịch 2 bị đục hoặc ngả vàng, tiếp tục cho hấp thụ bởi than hoạt tính, thu được dung dịch 3. Giai đoạn này quyết định sự tinh sạch của SiO2 thu được; 15 - Lọc dung dịch 3 thu được dung dịch 4. Dung dịch 4 được gel hóa bằng cách thêm dung dịch HCl 2M vào đến môi trường axit. Gel thu được được rửa sạch bằng nước cất nhiều lần đến môi trường trung tính để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl-. - Sau đó tiến hành sấy tự nhiên gel ở 100oC trong thời gian 24 giờ, rồi nung ở 550oC trong thời gian 2 giờ. Trấu Rửa sạch, phơi khô, đun kĩ tro Sấy ở 100 và nung .n Rửa sạch bằng nước cất 250ml NaOH Dung dịch 1 Tiến hành đun cách thủy và lọc Dung dịch 2 Than hoạt tính Dung dịch 3 Lọc Hỗn hợp dạng gel Dung dịch 4 Axit HCl 2M Hình 2. Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro đốt c. Nhiệt phân trấu trong lò đốt tầng sôi ở nhiệt độ cao và thổi gió tuần hoàn Theo phương pháp này, phản ứng nhiệt phân trấu diễn ra trong thiết bị phản ứng tầng sôi với tác nhân tải nhiệt là dòng khí trơ và tác nhân truyền nhiệt là các hạt rắn trơ. Các chất tải nhiệt và truyền nhiệt này đảm bảo cho quá trình nhiệt phân xảy 16 ra nhanh. Nhiệt độ trong lò đốt tầng sôi trong khoảng 500 – 700oC kết hợp thổi gió tuần hoàn. Chế độ đốt khống chế nhiệt và không khí là cơ sở để có thể sản xuất được tro trấu chất lượng đảm bảo. Hỗn hợp sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng tầng sôi sẽ được dẫn vào xyclon để tách khí ra khỏi rắn. Sau đó, chất rắn được sấy khô và thu được sản phẩm là tro trấu. Phương pháp này tốn kém nên thường được sử dụng để thu hồi cả hai sản phẩm rắn (tro trấu) và lỏng (nhiên liệu). Trong đó, tro trấu chỉ là thứ phẩm. Tro trấu sau khi đốt bằng lò này sẽ được nghiền mịn theo các chế độ nghiền tương tự như nghiền xi măng Portland truyền thống đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của một loại phụ gia khoáng pozzolan hoạt tính. 1.1.3.2. Các nghiên cứu ngoài nước Saowaroj Chuayjuljit và cộng sự [32] đã nghiên cứu thu hồi tro trấu trắng bằng cách nung trấu đã được rửa sạch và sử lý với axit trong dòng không khí ở 600oC trong 6 giờ. Kết quả cho thấy, tro trấu trắng (WRHA) thu được có độ tinh khiết cao, đạt 99,6% SiO2, diện tích bề mặt riêng lớn 182 m2/g. Genieva và cộng sự [29] đã tiến hành thu hồi SiO2 tinh khiết (WRHA) và hỗn hợp SiO2 và C đen (tro trấu đen – BRHA) bằng xử lý trấu bằng dòng hơi nước nóng và tiến hành nung trấu trong lò nung ở 700 lần lượt trong dòng không khí hoặc trong dòng N2. Kết quả cho thấy, WRHA thu được có độ tinh khiết 96,8% SiO2, và BRHA thu được tinh khiết, có thành phần 22,6% C và 77% SiO2 Qingge Feng và các đồng sự nghiên cứu sự hấp phụ ion chì và thủy ngân trong nước thải bởi tro trấu [26]. Vỏ trấu được xử lý bằng dung dịch HCl và được nung tại 700 để thu được tro trấu. Diện tích bề mặt riêng của tro trấu là 311m2/g. Tro trấu hấp phụ được khoảng 10mg Pb/g tại điều kiện pH = 5, nhiệt độ 15oC sau 5 phút và 3,23 mg Hg/g tại pH = 6, nhiệt độ 15oC sau 2 phút. Kết quả trên đều thực hiện với kích thước hạt của tro trấu khoảng 43µm. Với kết quả này, tro trấu hoàn toàn có thể ứng dụng để loại bỏ các ion chì và thủy ngân trong nước thải công nghiệp. 17 1.1.3.3. Các nghiên cứu trong nước Tro trấu cũng đã được sản xuất thử nghiệm ở Việt Nam trong những năm gần đây [16]. Tuy nhiên, mới chỉ có rất ít nhà sản xuất có thể cung cấp tro trấu ở mức độ sản phẩm thương mại. Hơn nữa, chất lượng của tro trấu này vẫn còn cần được xem xét. Tiến sỹ Đào Văn Đông, Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng giao thông, trường Đại học Giao thông Vận tải đã nghiên cứu công nghệ sản xuất phụ gia tro trấu có hoạt tính pozzolan cao dùng cho bê tông xi măng với quy mô thử nghiệm trong điều kiện Việt Nam. Trấu được đốt trong lò đốt tầng sôi ở nhiệt độ 500 – 700oC và thổi gió tuần hoàn. Chế độ đốt khống chế nhiệt và không khí là cơ sở để có thể sản xuất được tro trấu chất lượng đảm bảo. Tro trấu đốt bằng lò này sau khi được nghiền bằng các chế độ nghiền tương tự như nghiền XMP truyền thống đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của một loại phụ gia khoáng pozzolan hoạt tính [17]. Phạm Đình Vũ và cộng sự [13] đã sử dụng nguồn trấu sẵn có để thu hồi SiO2 tinh khiết làm nguồn thay thế TEOS rất đắt tiền và khó bảo quản trong quá trình tổng hợp MCM – 41. Nhóm tác giả này đã sử dụng hai phương pháp khác nhau để tổng hợp SiO2 từ vỏ trấu. Đó là chiết suất trực tiếp từ trấu và thu hồi tro trong môi trường NaOH. Kết quả cho thấy, sử dụng nguồn SiO2 thu hồi từ trấu có diện tích bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết cao, giúp tạo ra các vật liệu MCM – 41, SBA – 16, Sn – SBA – 16, có chất lượng không kém so với khi sử dụng nguồn TEOS. Điều đáng nói ở đây là nguồn SiO2 tổng hợp từ trấu vừa rẻ tiền, dễ bảo quản và phù hợp với điều kiện kinh tế ở địa phương. Tuy nhiên, đây cũng chỉ là những nghiên cứu bước đầu để tổng hợp SiO2 từ trấu, chưa đưa ra quy trình cụ thể và chưa tìm ra điều kiện tối ưu. Các tác giả Hồ Sỹ Thắng, Nguyễn Thị Ái Nhung, Đinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa, Nguyễn Hữu Phú [35] cũng đã thu hồi SiO2 từ trấu để tổng hợp vật liệu xúc tác mao quản trung bình SBA – 16 và Sn – SBA – 16 diện tích bề mặt > 800 (m2/g). Hệ vật liệu này dùng để tổng hợp các chất hữu cơ thế clo trong clo benzene 18 bằng benzen, toluene, xylen, … hấp phụ và xúc tác để phân hủy phenol, cloram phenicol trong môi trường nước. Tác giả ThS. Nguyễn Trung Thành, KS. Nguyễn Thùy Trang, Lâm Thành Trí, Hồ Nguyễn Thy Thy [12] đã ứng dụng tro trấu từ lò đốt gạch làm chất hấp phụ metyl da cam. Tác giả thu hồi tro trấu từ lò đốt gạch. Tro trấu được hoạt hóa bằng axit HF, trước khi hấp phụ metyl da cam. Kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy, điều kiện tối ưu nhất cho quá trình hoạt hóa tro trấu là nồng độ axit HF là 10% và thời gian hoạt hóa 30 phút. Điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ metyl da cam (nồng độ 10 mg/l) của tro trấu đã hoạt hóa là tại pH = 5 tại nhiệt độ thường với độ hấp phụ là 99%. Tác giả Trần Văn Đức trong báo cáo luận văn thạc sỹ của mình đã nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu bằng dung dịch NaOH, sử dụng để hấp phụ ion kim loại nặng trong nước [5]. Tác giả tách SiO2 từ vỏ trấu bằng phương pháp nhiệt phân chậm và thủy phân tro trấu trong dung dịch kiềm, thành phần của tro trấu chủ yếu là 2 nguyên tố Si và O trong đó có 42,31% Si. Quy trình tách SiO2 từ vỏ trấu đã được xác định trong nghiên cứu này và nồng độ NaOH tối ưu cho quá trình là 5M. SiO2 thu được có diện tích bề mặt riêng là 116.56 m2/g, đường kính mao quản trung bình 311,21 , thuận lợi cho quá trình hấp phụ các ion kim loại nặng. Khi hấp phụ, hiệu suất hấp phụ và tương ứng là 95,43% và 97,88% trong môi trường pH = 7 sau thời gian 150 phút, tỷ lệ rắn lỏng tối ưu là 2 g/ml, nồng độ ion trong dung dịch là 20 mg/l. Khi hấp phụ cột, tốc độ dòng tối ưu là 0,67 ml/phút, pH = 7, nồng độ ion là 20 mg/l, hiệu suất hấp phụ trên 99%. SiO2 có thể sử dụng hấp phụ nhiều lần. 1.2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON 1.2.1. Giới thiệu về vật liệu nano cacbon Một trong những vật liệu có kích thước nano đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là các vật liệu nano cacbon, thường tồn tại ở hai dạng: ống nano cacbon (CNT) và sợi nano cacbon (CNF). Vật liệu này được phát hiện bởi Sumio Iijima [30] vào năm 1991, khi ông tiến hành phóng điện hồ quang giữa hai điện cực 19 bằng than để tìm quả cầu fullerene, ông đã phát hiện được có những ống rất nhỏ bám ở cực than catot. Quan sát và phân tích kỹ thì ông thấy đó là những ống rỗng có đường kính cỡ nanomet, và có thể dài đến kích cỡ micromet. Các ống này được tạo bởi một hay nhiều lớp các nguyên tử cacbon xếp theo đỉnh các đa giác sáu cạnh hoặc năm cạnh, trong đó các đa giác sáu cạnh chiếm ưu thế hơn cả. Ngay sau đó phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature và người ta gọi đó là ống nano cacbon. CNT đã có những nghiên cứu tập trung vào tính năng đặc biệt như: tính dẫn điện, từ tính và tiềm năng áp dụng của chúng. Bên cạnh khả năng tạo được vật liệu compozit tiên tiến và các thiết bị điện tử kích thước nano thì khả năng bền nhiệt, bền hóa chất cao của CNT còn cho phép chúng có thể sử dụng làm chất mang cho xúc tác. Xét về cấu trúc, do diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc rỗng nên CNT được sử dụng như là vật liệu hấp phụ [24]. Hơn nữa cấu trúc bề mặt của CNT có thể hoạt hóa bằng cách oxy hóa hoặc bằng các chất hoạt động bề mặt, mở đáy của ống nano cacbon, bề mặt có thể gắn thêm các kim loại, oxit kim loại hoặc các tác nhân hữu cơ làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo vật liệu hấp phụ. 1.2.2. Cấu trúc và tính chất của ống nano cacbon Để tìm hiểu cấu trúc của CNT, trước hết cần tìm hiểu về cấu trúc của graphit. Graphit bao gồm nhiều lớp nguyên tử cacbon sắp xếp song song với nhau, mỗi lớp này ta gọi là mặt graphen. Hình 3. Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen 20
- Xem thêm -