Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano β-MnO2 hấp phụ asen, sắt và mangan

Oxit β-MnO2 được tổng hợp ở nhiệt độ thấp (1800C) bằng phương pháp đốt cháy gel của poli vinyl ancol (PVA) với muối mangan nitrat và amoni nitrat. Quá trình hình thành pha và hình thái học của oxit được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM). Ở khoảng nhiệt độ nung 150- 1800C trong 2 giờ thu được đơn pha của β-MnO2 có diện tích bề mặt riêng thu được theo phương pháp BET là 49,7 m2 /g. Đã xác định được kích thước hạt của oxit β-MnO2 là khoảng 25 nm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano β-MnO2 hấp phụ asen, sắt và mangan Lưu Minh Đại và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 149 - 152 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO β-MnO2 HẤP PHỤ ASEN, SẮT VÀ MANGAN Lưu Minh Đại1, Nguyễn Thị Tố Loan*2 1 Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2 Trường ĐH Sư phạm - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Oxit β-MnO2 được tổng hợp ở nhiệt độ thấp (1800C) bằng phương pháp đốt cháy gel của poli vinyl ancol (PVA) với muối mangan nitrat và amoni nitrat. Quá trình hình thành pha và hình thái học của oxit được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM). Ở khoảng nhiệt độ nung 1501800C trong 2 giờ thu được đơn pha của β-MnO2 có diện tích bề mặt riêng thu được theo phương pháp BET là 49,7 m2 /g. Đã xác định được kích thước hạt của oxit β-MnO2 là khoảng 25 nm. Khả năng hấp phụ asen, sắt và mangan của oxit này đã được xác định. Oxit nano β-MnO2 có dung lượng hấp phụ cực đại tính theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir đối với As(III) là 32,79 mg/g, As(V) là 36,32 mg/g; Mn(II) là 101,37 mg/g và Fe(III) là 107,64 mg/g. Từ khóa: MnO2, vật liệu nano, phương pháp đốt cháy, hấp phụ, PVA MỞ ĐẦU* MnO2 là một trong những oxit của mangan được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Trong lĩnh vực xử lí môi trường, MnO2 vừa là chất oxi hóa, vừa làm chất hấp phụ rất tốt [4,10,11]. MnO2 tồn tại nhiều dạng thù hình như α, β, δ, ε, γ, λ…, trong đó gồm các ô mạng cơ sở là MnO6 liên kết theo các cách khác nhau. Tùy thuộc vào mỗi phương pháp điều chế mà MnO2 thu được có cấu trúc, hình dạng khác nhau. Các phương pháp điều chế MnO2 đều xuất phát từ phản ứng oxi hóa khử của ion MnO4- hoặc Mn2+. Một số phương pháp đã được sử dụng để điều chế MnO2 như nhiệt phân [12], sol-gel [13], điện hóa học [7]. Trong bài báo này chúng tôi sử dụng phương pháp đốt cháy gel để tổng hợp oxit MnO2 và nghiên cứu khả năng hấp phụ asen, sắt, mangan trong nước của oxit này [9]. THỰC NGHIỆM Hóa chất Các hoá chất sử dụng trong nghiên cứu đều là loại tinh khiết phân tích: Fe(NO3)3.9H2O, Mn(NO3)2, NH4NO3, polivinyl ancol (PVA, M=980000). Dung dịch As(V) và As(III) được pha từ dung dịch chuẩn (Meck) có nồng độ 1000 mg/l. * Tel: 0915 208 010; Email: Loansptn81@gmail.com Chế tạo và đặc trưng vật liệu hấp phụ Tổng hợp vật liệu MnO2 được tiến hành theo phương pháp đốt cháy gel PVA với Mn(NO3)2 ở điều kiện tối ưu về nhiệt độ tạo gel, pH tạo gel, nhiệt độ nung gel và có mặt của NH4NO3 . Thành phần pha của vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen trên máy SIEMENS D5000 với chế độ đo: ống phát tia X bằng Cu với bước sóng λ=0,15406 nm, điện áp 40 kV, cường độ dòng điện 40 mA, nhiệt độ 250C, góc quét 2θ=10 ÷ 700, bước quét 0,030/s. Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của vật liệu được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL – 5300 và hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Diện tích bề mặt riêng của mẫu được xác định theo phương pháp BET trên máy ASAP 2010 của Mĩ . Điểm điện tích không của oxit được xác định bằng phương pháp chuẩn độ đo pH với chất điện li là KNO3 0,1M. Nghiên cứu khả năng hấp phụ asen, mangan, sắt của vật liệu Đẳng nhiệt hấp phụ của asen, mangan và sắt trên vật liệu được tiến hành theo phương pháp tĩnh, nồng độ ban đầu của các ion thay đổi từ 1 mg /l đến 250 mg /l, ở nhiệt độ 300C. Nồng độ sắt, mangan được xác định bằng phương pháp so màu ở bước sóng 510, 525 nm. Nồng độ asen được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). 149 Lưu Minh Đại và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Chúng tôi sử dụng phương trình đẳng nhiệt Langmuir để nghiên cứu quá trình hấp phụ của vật liệu. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng: q = qmax b.C f . 1 + bC f Trong đó: q: dung lượng hấp phụ tại nồng độ Cf (mg/g), qmax: dung lượng hấp phụ cực đại đơn lớp (mg/g), b: hằng số đẳng nhiệt Langmuir, Cf: nồng độ của chất bị hấp phụ khi cân bằng được thiết lập (mg/l); Các hằng số đẳng nhiệt hấp phụ của vật liệu được xác định từ kết quả hồi qui các số liệu thực nghiệm trên phần mềm tính toán Table Curve. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp vật liệu nano β-MnO2 a) Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha và kích thước hạt * Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung: Điều chế các gel ở pH = 4, tỉ lệ mol KL/PVA = 1/3, KL/NH4NO3 = 2/1 ở 800C và nung ở nhiệt độ từ 120 ÷ 4000C trong 2 giờ. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu được chỉ ra ở hình 1. • * Mn3O4 ● Mn2O3 80(04): 149 - 152 * Ảnh hưởng của tỉ lệ mol KL/NH4NO3 đến kích thước hạt MnO2: Điều chế gel ở cùng tỉ lệ mol KL/PVA (1/3), nhiệt độ tạo gel (80oC) khi không có mặt NH4NO3 (mẫu M1) và khi có mặt NH4NO3 với tỉ lệ mol KL/NH4NO3 =2/1 (mẫu M2), 1/1 (mẫu M3), 1/2 (mẫu M4). Gel được nung ở nhiệt độ 180oC trong thời gian 2 giờ. Ảnh SEM của các mẫu được chỉ ra ở hình 2. (a) mẫu M1 (c) mẫu M3 (b) mẫu M2 (d) mẫu M4 Hình 2. Ảnh SEM của các mẫu ● ● 4000C 250 0 * ● * * ● * * ● ● * * 1800 * * 1500 1200 Hình 1. Giản đồ XRD của các mẫu khi nung ở nhiệt độ khác nhau Giản đồ nhi ...