i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

------------

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
SẮT OXI-HYĐROXIT (FeOOH) THỬ NGHIỆM XỬ LÝ
MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Mã số: ĐH2014-TN07-07

Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Đình Vinh

Thái Nguyên, 7/2017


i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
------------

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU

SẮT OXI-HYĐROXIT (FeOOH) THỬ NGHIỆM XỬ LÝ
MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Mã số: ĐH2014-TN07-07

Xác nhận của tổ chức chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu)

Thái Nguyên, 7/2017

(ký, họ tên)


i

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU
PHỐI HỢP CHÍNH

ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ

I. Thành viên thực hiện đề tài
- TS. Trƣơng Thị Thảo - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
- TS. Bùi Minh Quý - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
- ThS. Nguyễn Thị Ngọc Linh - Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái
Nguyên
II. Đơn vị phối hợp thực hiện
Phòng Hóa Vô cơ - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam



ii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................................................. 1
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nƣớc ở Việt Nam...................................................................... 1
1.1.4. Các phƣơng pháp xử lí kim loại nặng trong nƣớc .................................................................................... 1
1.1.4.1. Phƣơng pháp kết tủa hóa học ................................................................................................................ 2
1.1.4.2. Phƣơng pháp trao đổi ion ...................................................................................................................... 2
1.1.4.3. Phƣơng pháp điện hóa ........................................................................................................................... 2
1.1.4.4. Phƣơng pháp sinh học ........................................................................................................................... 2
1.1.4.5. Phƣơng pháp hấp phụ ............................................................................................................................ 2
1.2. Tổng quan về vật liệu α-FeOOH ................................................................................................................. 2
1.2.1. Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt ................................................................................................................... 2
1.2.2. Vật liệu goethite, α-FeOOH ..................................................................................................................... 2
1.2.2.1. Giới thiệu .............................................................................................................................................. 2
1.2.2.2. Cấu trúc tinh thể .................................................................................................................................... 2
1.2..2.3. Phƣơng pháp tổng hợp ......................................................................................................................... 2
1.2.2.4.Ứng dụng của goethite ........................................................................................................................... 2
1.3. Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH........................................................................................................... 2
1.3.1. Cơ sở lí thuyết .......................................................................................................................................... 2
1.3.2. Sự hấp phụ của vật liệu FeOOH............................................................................................................... 2
1.4. Ứng dụng của vi sóng trong tổng hợp vật liệu ............................................................................................ 2
1.5. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của vật liệu ...................................................................................... 2
1.5.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X XRD............................................................................................................ 2
1.5.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM)................................................................................................. 2
1.5.3. Phƣơng pháp phân tích nhiệt .................................................................................................................... 2
1.5.5. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng BET ........................................................................................... 2

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................................................................... 2
2.1. Hóa chất và thiết bị ..................................................................................................................................... 2
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................................................................... 2
2.1.2. Thiết bị ..................................................................................................................................................... 2
2.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH ........................................................................................................... 2
2.2.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của giá trị pH ...................................................................................................... 2
2.2.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt dộ ........................................................................................................ 2
2.2.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của vi sóng .......................................................................................................... 3
2.3. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của vật liệu ...................................................................................... 3
2.3.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................................................................... 3
2.3.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét ............................................................................................................ 3
2.3.3. Phƣơng pháp phân tích nhiệt .................................................................................................................... 3
2.3.4. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại................................................................................................................... 3


iii

2.3.5. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt BET .................................................................................................... 3
2.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trên vật liệu goethite ............................................................ 3
2.4.1. Thí nghiệm hấp phụ ................................................................................................................................. 3
2.4.2. Xác định hàm lƣợng KLN trong dung dịch bằng phƣơng pháp F-AAS .................................................. 3
2.4.2.1. Dựng đƣờng chuẩn ................................................................................................................................ 3
2.4.2.2. Xác định hàm lƣợng KLN trong dung dịch sau hấp phụ ...................................................................... 3
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................................................... 3
3.1. Chế tạo vật liệu α-FeOOH .......................................................................................................................... 3
3.1.1. Ảnh hƣởng của pH ................................................................................................................................... 3
3.1.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ........................................................................................................................... 3
3.1.3. Ảnh hƣởng của vi sóng ............................................................................................................................ 4
3.1.4. Một số đặc trƣng của vật liệu ................................................................................................................... 5
3.1.4.1. Thông số mạng ...................................................................................................................................... 5

3.1.4.2. Độ bền nhiệt .......................................................................................................................................... 5
3.1.4.3. Phổ hồng ngoại FT-IR ........................................................................................................................... 6
3.1.4.4. Diện tích bề mặt .................................................................................................................................... 6
3.2. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Pb và Cd ........................................................................................................ 7
3.2.1. Hấp phụ ion riêng rẽ................................................................................................................................. 7
3.2.1.1. Ảnh hƣởng của pH dung dịch ............................................................................................................... 7
3.2.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ ......................................................... 7
3.2.1.3. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu và đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ........................................................... 9
3.2.2. Hấp phụ hỗn hợp ion .............................................................................................................................. 11
3.3. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) .......................................................................................................... 11
3.3.1. Ảnh hƣởng của pH dung dịch ................................................................................................................ 11
3.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ .......................................................... 12
3.4.3. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu và đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ ............................................................ 13
KẾT LUẬN ...................................................................................................................................................... 15


iv

DANH MỤC HÌNH
Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu hình thành ở các giá trị pH khác nhau .......................................... 3
Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau ...................................... 4
Hình 3.4. Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng ................................ 4
Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu hình thành dƣới tác động của vi sóng ........................................... 5
Hình 3.6. Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng ................................ 5
Hình 3.7. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu geothite ..................................................................... 6
Hình 3.8. Phổ hồng ngoại của vật liệu ............................................................................................... 6
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) ......................................... 7
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) ................................. 8
Hình 3.11. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) .................... 8
Hình 3.12. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) .................... 8

Hình 3.13. Dung lƣợng hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite với các nồng độ ion Pb(II) và Cd(II)
ban đầu khác nhau .............................................................................................................................. 9
Hình 3.15. Đƣờng đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên
goethite ............................................................................................................................................. 10
Hình 3.16. Sự biến đổi của dung lƣợng hấp phụ ion kim loại trên goethite ở các nồng độ Cd(II) ban
đầu khác nhau................................................................................................................................... 11
Hình 3.17. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các giá trị pH khác nhau ......................................... 12
Hình 3.18. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các khoảng thời gian khác nhau.............................. 12
Hình 3.19. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Cr(VI)................................. 12
Hình 3.20. Đƣờng biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Cr(VI)................................. 13
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của độ hấp phụ và dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) vào nồng độ Cr(VI) ban
đầu .................................................................................................................................................... 13
Hình 3.22. Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite ..... 14
Hình 3.23. Đƣờng đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính cho sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite.... 14


v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Kết quả BET của mẫu goehtie ........................................................................................... 7
Bảng 3.2. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite ............. 9
Bảng 3.3. Các thông số của phƣờng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich đối với sự hấp
phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite .................................................................................................... 10
Bảng 3.4. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) trên goethite ........................... 13
Bảng 3.5. Các thông số của phƣờng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich đối với sự hấp
phụ Cr(VI) trên goethite ................................................................................................................... 14


vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
XRD (X-Ray Diffraction)
TGA (Thermal Gravimetric Analysis)
DTA (Differential Thermal Analysis)
SEM (Scanning Electron Microscopy)
TEM (Transmission Electron Microscopy)
AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)
FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

Nhiễu xạ tia X
Phân tích nhiệt trọng lƣợng
Phân tích nhiệt vi sai
Hiển vi điện tử quét
Hiển vi điện tử truyền qua
Phổ hấp thụ nguyên tử
Phổ hồng ngoại


vii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử nghiệm xử lý môi
trƣờng nƣớc
- Mã số: ĐH2014 - TN07 - 07
- Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Đình Vinh
- Tổ chức chủ trì: Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: 01/2014 - 12/2015
2. Mục tiêu:
- Xác định đƣợc các điều kiện tối ƣu để tổng hợp các oxi-hydroxit sắt với kích thƣớc nanomet.
- Khảo sát đƣợc các đặc trƣng của các sản phẩm tổng hợp đƣợc bằng các phƣơng pháp hiện đại.
- Xác định đƣợc hiệu quả hấp phụ các kim loại nặng của vật liệu
3. Tính mới, tính sáng tạo:
- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu nano FeOOH.
- Đánh giá khả hấp thụ một số kim loại nặng của vật liệu tổng hợp đƣợc.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Khảo sát đƣợc các yếu tố nhƣ pH, nhiệt độ và vi sóng ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu
FeOOH.
- Phân tích các đặc trƣng của vật liệu bằng các phƣơng pháp hiện đại.
- Đánh giá khả năng hấp phụ một số kim loại nặng nhƣ Pb, Cd, Cr của vật liệu chế tạo đƣợc.
5. Sản phẩm:
5.1. Sản phẩm khoa học:
Có 02 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học
1. Nguyễn Đình Vinh, Ngô Thị Hồng Thu, Đào Quốc Hƣơng, Nguyễn Thị Hạnh (2015), “Nghiên
cứu sự ảnh hƣởng của giá trị pH và nhiệt độ đến sự hình thành goethite”, Tạp chí Hóa học,
53(3e12), tr. 365-369


viii

2. Nguyen V. D., Kynicky J., Ambrozova P., Adam V. (2017), “Microwave-Assisted Synthesis of
Goethite Nanoparticles Used for Removal of Cr (VI) from Aqueous Solution”, Materials 10(7), pp.
783.
5.2. Sản phẩm đào tạo:
* 03 đề tài sinh viên NCKH đã nghiệm thu:
1. Ngô Thị Hồng Thu (2015), Thiết kế quy trình xử lý một số kim loại nặng trong nước, Đề tài sinh viên
nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên.

2. Lự Thị Nga (2015), Thiết kế quy trình xử lý một số chất hoạt động bề mặt trong nước, Đề tài sinh
viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên.
3. Phan Thị Huệ (2016), Tổng hợp vật liệu nano goethite với sự hỗ trợ của vi sóng, thử nghiệm hấp thụ
ion Cr(VI) trong nước, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái
Nguyên.
* 01 luận văn thạc sĩ đã nghiệm thu
Phạm Thị Phƣơng Thảo (2017), Ngiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu goethite
ứng dụng xử lý một số kim loại nặng, Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái
Nguyên.
6. Phƣơng thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả
nghiên cứu:
- Khả năng áp dụng: Ứng dụng xử lý các kim loại nặng trong nƣớc.
- Phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu: Có thể cung cấp vật liệu và quy trình xử lý
cho các cá nhân tổ chức.
Ngày tháng 07 năm 2017

Tổ chức chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)

TS. Nguyễn Đình Vinh


ix

INFORMATION OF RESEARCH RESULTS

1. General iformation:
- Project title: Study on the preparation of iron oxyhydroxide nano materials testing water
treatment feasibility.
- Code number: ĐH2014 - TN07 - 07
- Major researcher: TS. Nguyễn Đình Vinh
- Implementirng institution: TNU - University of Sciences
- Duration: from 01/2014 to 12/2015
2. Objective:
- Determine the optimal condition for synthesis of iron oxyhydroxide nano materials.
- Characterize the obtained materials by modern methods.
- Determine the feasibility of heavy metal removal by obtained materials.
3. Creativeness and innovativeness:
- In this project, microwave was used to support the synthesis of FeOOH nano materials.
- The feasibility of heavy metal removal by using obtained materials was evaluted.
4. Research results:
- Investigated some factors such as pH, temperature, and microwave that impact on the
synthesis process of FeOOH material.
- Characterized the obtained materials by modern methods.
- Determined the feasibility of heavy metal removal by obtained materials.
5. Product:
5.1. Scientific product:
Two papers were published on scientific journals
1. Nguyen Dinh Vinh, Ngo Thi Hong Thu, Đao Quoc Huong, Nguyen Thi Hanh (2015), “Study on
the effect of pH and temperature on the formation of goethite”, Vietnam Journal of Chemistry,
53(3e12), pp. 365-369
2. Nguyen V. D., Kynicky J., Ambrozova P., Adam V. (2017), “Microwave-Assisted Synthesis of
Goethite Nanoparticles Used for Removal of Cr (VI) from Aqueous Solution”, Materials 10(7), pp.
783
5.2. Training product:
* Three research projects of students were evaluated:



x

1. Ngo Thi Hong Thu (2015), Design treatment process of some heavy metals in water, Student
research project, TNU - University of Sciences.
2. Lu Thi Nga (2015), Design treatment process of some surfactants in water, Student research
project, TNU - University of Sciences.
3. Phan Thi Hue (2016), Microwave-assisted synthesis of goethite nano material used for Cr(VI)
adsorption in water, Student research project, TNU - University of Sciences.
* One master thesis was evaluated
1. Pham Thi Phuong Thao (2017), Study on structural characteristics and properties of goethite
material used for treating some heavy metals in water, Master thesis, TNU - University of Sciences.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach results:
.- Ability to apply: Used for treating some heavy metals in water
- Procedure transfer research results: Provide materail and treatment process for private or
companies.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ô nhiễm nƣớc bởi các kim loại nặng và chất hoạt động bề mặt là một vấn đề toàn cầu. Nó phá
hủy hệ sinh thái và gây nguy hại đến sức khỏe loài ngƣời do đó việc tìm ra các biện pháp khắc phục và
các phƣơng pháp xử lý nƣớc có vài trò rất quan trọng đối với sự phát triển của mỗi quốc gia. Trong
những năm gần đây, các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu khác nhau để ứng dụng
trong sử lý nƣớc, trong đó vật liệu hấp phụ tỏ ra có khả năng ứng dụng rất lớn, đặc biệt là các loại vật
liệu có chứa sắt nhƣ các oxit sắt, các composit chứa sắt…
Các oxi-hydroxit sắt có nhiều ƣu điểm nhƣ khả năng hấp phụ tốt đối với các ion kim loại nặng
và chất hoạt động bề mặt, hơn nữa chúng có độ bền cao và đơn giản trong việc chế tạo nên đã đƣợc

nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng một cách hiệu quả trong xử lý nƣớc.
Tuy nhiên, ở Việt Nam thì loại hợp chất này chƣa đƣợc sử dụng nhiều trong quy trình xử lý
nƣớc, do đó việc nghiên cứu tổng các oxi-hydroxit sắt cũng nhƣ việc xây dựng quy trình công nghệ để
xử lý nƣớc bằng các loại vật liệu này có nhiều ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Bằng việc nghiên
cứu các điều kiện thích hợp để tổng hợp vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển lý thuyết về điều kiện
hình thành, cấu trúc cũng nhƣ các đặc tính của loại vật liệu này. Việc xây dựng quy trình ứng dụng
loại vật liệu này trong xử lý nƣớc có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn trong việc loại bỏ các chất ô
nhiểm ra khỏi nƣớc, hơn nữa nó phù hợp với xu hƣớng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học
trong và ngoài nƣớc.
Do đó việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sắt oxi-hyđroxit (FeOOH) thử
nghiệm xử lý môi trường nước” có nhiều ý nghĩa về khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu của đề tài
- Chế tạo thành công vật liệu nano goethite
- Thử nghiệm khả năng hấp phụ các ion Pb(II), Cd(II), Cr(VI) trên vật liệu
3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu các yếu tố pH và nhiệt độ để tối ƣu hóa điều kiện tổng hợp goethite;
- Nghiên cứu ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu để nâng cao hiệu quả của quá trình;
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu của các ion Pb(II),
Cd(II), Cr(VI) đến quá trình hấp phụ các ion này trên vật liệu goethite.
- Nghiên cứu các mô hình động học và đƣờng đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về kim loại nặng
1.1.1. Định nghĩa
1.1.2. Ảnh hưởng của một số kim loại nặng tới sinh vật và con người
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước ở Việt Nam
1.1.4. Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước


2
1.1.4.1. Phương pháp kết tủa hóa học

1.1.4.2. Phương pháp trao đổi ion
1.1.4.3. Phương pháp điện hóa
1.1.4.4. Phương pháp sinh học
1.1.4.5. Phương pháp hấp phụ
1.2. Tổng quan về vật liệu α-FeOOH
1.2.1. Giới thiệu về oxi-hiđroxit sắt
1.2.2. Vật liệu goethite, α-FeOOH
1.2.2.1. Giới thiệu
1.2.2.2. Cấu trúc tinh thể
1.2..2.3. Phương pháp tổng hợp
1.2.2.4.Ứng dụng của goethite
1.3. Cơ chế hấp phụ của vật liệu FeOOH
1.3.1. Cơ sở lí thuyết
1.3.2. Sự hấp phụ của vật liệu FeOOH
1.4. Ứng dụng của vi sóng trong tổng hợp vật liệu
1.5. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của vật liệu
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X XRD
1.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
1.5.3. Phương pháp phân tích nhiệt
1.5.4. Phổ hồng ngoại
1.5.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất và thiết bị
2.1.1. Hóa chất
2.1.2. Thiết bị
2.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu FeOOH
2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của giá trị pH
Chuân bị 6 cốc chịu nhiệt và cho vào mỗi cốc 100 ml dung dịch Fe(NO3)3 0.1 M. Tiếp theo, các
dung dịch này đƣợc điều chỉnh đến các giá trị pH 4.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0 và 14.0 đồng thời đƣợc khấy
liên tục. Sau đó hỗn hợp đƣợc gia nhiêt ở nhiệt độ 70oC trong vòng 24 h. Kết tủa hình thành đƣợc lọc

và rửa lại 3 lần bằng nƣớc cất và sấy ở 70oC trong 24 h.
2.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt dộ
Chuân bị 4 cốc chịu nhiệt và cho vào mỗi cốc 100 ml dung dịch Fe(NO3)3 0.1 M. Sau đó các
dung dịch này đƣợc điều chỉnh đến giá trị pH bằng 12.0 đồng thời đƣợc khấy liên tục. Tiếp theo, hỗn
hợp đƣợc gia nhiêt ở nhiệt độ 30, 50, 70 và 90oC trong vòng 24 h. Kết tủa hình thành đƣợc lọc và rửa
lại 3 lần bằng hỗn hợp cồn-nƣớc (tỉ lệ 1:1 về thể tích) và đƣợc sấy ở 70oC trong 24 h.


3
2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sóng
Chuẩn bị cốc chịu nhiệt và cho vào 100 ml dung dịch Fe(NO3)3 0,1 M và điều chỉnh pH đến giá
trị 12.0 bằng cách nhỏ từ từ dung dịch NaOH 1M vào, đồng thời đƣợc khấy liên tục trong 30 phút.
Sau đó, hỗn hợp đƣợc đặt vào vi sóng với công suất ở 100oC trong các thời gian lần lƣợt là 10, 20 và
30 phút. Hỗn hợp hình thành sau phản ứng đƣợc để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó đem lọc và rửa
sản phẩm 3 lần bằng hỗn hợp cồn-nƣớc (tỉ lệ 1:1 về thể tích). Cuối cùng, sản phẩm đƣợc sấy khô và
nghiền nhỏ.
2.3. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét
2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt
2.3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại
2.3.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET
2.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trên vật liệu goethite
2.4.1. Thí nghiệm hấp phụ
2.4.2. Xác định hàm lượng KLN trong dung dịch bằng phương pháp F-AAS
2.4.2.1. Dựng đường chuẩn
2.4.2.2. Xác định hàm lượng KLN trong dung dịch sau hấp phụ
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Chế tạo vật liệu α-FeOOH
3.1.1. Ảnh hưởng của pH

Để nghiên ảnh hƣởng của giá trị pH đến sự hình thành geothite các mẫu đƣợc tổng hợp ở
70 C, giá trị pH lần lƣợt là 4,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 và 14,0. Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc đƣa ra ở
Hình 3.1.
o

Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu hình thành ở các giá trị pH khác nhau
Có thể kết luận rằng giá trị pH có ảnh hƣởng đáng kể đến sự hình thành pha cũng nhƣ độ tinh
khiết của goethite. pH thích hợp cho việc tổng hợp đơn pha geothite nằm trong khoảng từ 12,0 đến
14,0.
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Để nghiên ảnh hƣởng của nhiệt độ đến sự hình thành geothite, các mẫu đƣợc tổng hợp ở giá trị
pH bằng 12,0 và nhiệt độ phản ứng đƣợc thay đổi lần lƣợt là 30, 50, 70 và 90oC. Giản đồ XRD của các
mẫu đƣợc đƣa ra ở Hình 3.2.


4

Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 3.3. Ảnh SEM của các mẫu hình thành ở các nhiệt độ khác nhau
Qua các kết quả trên có thể kết luận về điều kiện thích hợp cho quá trình tổng hợp vật liệu
geothite từ muối Fe(NO3)3 là phản ứng đƣợc thực hiện trong môi trƣờng kiềm mạnh, pH nằm trong
khoảng từ 12,0 đến 14,0. Nhiệt độ của phản ứng không ảnh hƣởng đến sự hình thành pha geothite.
3.1.3. Ảnh hưởng của vi sóng
Để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của vi sóng các mẫu đƣợc tổng hợp ở pH 12.0, thời gian phản
ứng đƣợc thay đổi từ 5 đến 30 phút. Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc đƣa ra ở hình 3.4.

Hình 3.4. Giản đồ XRD của các mẫu được tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng



5
5
mi
n

20
mi
n

10
mi
n

30
mi
n

Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu hình thành dưới tác động của vi sóng
Các kết quả trên cho thấy vật liệu goethite với kích thƣớc nano có thể đƣợc tổng hợp từ dung
dịch Fe(NO3)3 ở pH 12.0 dƣới sự tác dụng của vi sóng trong 10 phút.
3.1.4. Một số đặc trưng của vật liệu
3.1.4.1. Thông số mạng

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau u pH=12

50 0

Để xác định cấu trúc mạng tinh thể của sản phẩm goethite, mẫu hình thành trong điều kiện vi
sóng đƣợc ghi giản đồ XRD với góc 2θ từ 20 đến 70o và tốc độ quét 0.02o/0.8s. Kết quả đƣợc đƣa ra ở
Hình 3.6.

40 0

Lin (Cps)

30 0

d=1.394

d=1.511

d=1.564
d=1.653

d=1.722

d=1.692

d=1.800

d=1.921

d=2.253

d=2.183

10 0

d=2.586
d=2.538
d=2.491


d=2.683

d=4.204

d=2.451

20 0

0
20

30

40

50

60

70

2-Theta - Scale
F ile : Vi nh VH m au u p H = 1 2.ra w - T y p e: Lo c k e d C o u ple d - Sta rt: 20 .00 0 ° - En d: 7 0.0 00 ° - S tep : 0.0 20 ° - Ste p tim e: 0 .8 s - T e m p .: 25 ° C (R o om ) - T i m e Sta rte d: 2 s - 2-T he ta: 2 0.0 00 ° - T he ta: 1 0.0 00 ° - C h i
01 -0 81 -0 4 64 (C ) - Go e th ite , s yn - F e O (O H ) - Y : 12 .0 7 % - d x b y : 1. - W L : 1 .54 0 6 - O rth o rho m b ic - a 4 .6 0 48 0 - b 9 .9 5 95 0 - c 3 .02 3 00 - al ph a 9 0 .0 0 0 - b eta 90 .00 0 - ga m m a 9 0.0 00 - P rim itiv e - P bn m ( 62 ) - 4

Hình 3.6. Giản đồ XRD của các mẫu được tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng
Dữ liệu XRD cho thấy, goethite kết tinh theo kiểu trực thoi (orthorhombic) với hằng số mạng :
a = 4.60 Å; b = 9.95 Å; c = 3.02 Å, α = β = γ = 90o. Tinh thể thuộc nhóm đối xứng C2-Pbnm. Khoảng
cách giữa các họ mặt mạng (101), (301), (210) và (111) lần lƣợt bằng 4.20, 2.68, 2.58 và 2.45 Å

3.1.4.2. Độ bền nhiệt
Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu geothite đƣợc đƣa ra ở Hình 3. 6.


6

Hình 3.7. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu geothite
Nhƣ vậy tổng độ giảm khối lƣợng cuả mẫu khi đƣợc gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 800oC là
9.99 % nên có thể suy ra phƣơng trình phân hủy của geothite là:
2FeOOH  Fe2O3 + H2O
Từ độ giảm khối lƣợng 9,99 % khá sát với tính toán theo lý thuyết là l0,11 % nên có thể kết luận
rằng vật liệu geothite tổng hợp đƣợc có độ tinh khiết rất cao.
3.1.4.3. Phổ hồng ngoại FT-IR
Phổ FT-IR của mẫu geothite đƣợc trình bày ở Hình 3.7. Trên phổ hồng ngoại xuất hiện các
cực đại hấp thụ nằm trong khoảng từ 3000 đến 3700 cm-1 có thể gán cho dao động kéo dài của nhóm

Hình 3.8. Phổ hồng ngoại của vật liệu
Qua kết quả phân tích FT-IR có thể thấy vật liệu là pha geothite với các liên kết đặc trƣng cho
các pha này. Ngoài ra, các phân tử nƣớc vẫn tồn tại trên bề mặt của vật liệu.
3.1.4.4. Diện tích bề mặt
Diện tích bề mặt của goethite đƣợc xác định bằn phƣơng pháp BET dựa trên sự hấp phụ và
giải hấp phụ N2 ở nhiệt dộ 77.35 K và đƣợc đƣa ra ở Bảng 3.1. Kết quả cho thấy sản phẩm goethite
đƣợc tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng có diện tích bề mặt BET khá lớn, 158 m2/g, trong khi giá trị
này của goethite tổng hợp theo phƣơng pháp truyền thống chỉ nằm trong khoảng từ 30 đến 100 m2/g
[27]. Ngoài ra, thể tích của vi mao quản của vật liệu bằng 0.07 cm3/g, lớn hơn so với của vật liệu hình
thành trong điều kiện không có mặt của vi sóng [28, 33]. Kết quả này một lần nữa cho thấy ƣu điểm
của việc ứng dụng vi sóng trong tổng hợp vật liệu nano goethite.


7

Bảng 3.1. Kết quả BET của mẫu goehtie
Diện tích bề mặt đơn điểm

141.92 m2/g

Diện tích bề mặt BET

158.31 m2/g

Diện tích vi mao quản

78.27 m2/g

Diện tích bề mặt ngoài

80.04 m2/g

Thể tích vi mao quản

0.07 cm3/g

Kích thƣớc trung bình vi mao quản

0.30 nm

3.2. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Pb và Cd
3.2.1. Hấp phụ ion riêng rẽ
3.2.1.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch
Để nghiên cứu ảnh hƣởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ riêng rẽ ion Pb2+ và Cd2+ bởi
goethite, các thí nghiệm đƣợc tiến hành trong điều liện ở 298 K, nồng độ ban đầu của ion kim loại là

100 mg/L, lƣợng chất hấp phụ 1.5 g/L, thời gian hấp phụ bằng 180 phút và pH của dung dịch đƣợc
thay đổi từ 2.5 đến 6.0. Kết quả đƣợc trình bày ở Hình 3.9.

Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)
Qua kết quả trên có thể kết luận pH thích hợp cho quá trình hấp phụ cation Pb(II) và Cd(II) là
trong khoảng 5.5 đến 6.5. Giá trị pH 5.5 đƣợc lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ
Để xác định thời gian hấp phụ tối ƣu, các thí nghiệm đƣợc tiến hành với điều kiện: nồng độ
của ion kim loại bằng 100 mg/L, lƣợng chất hấp phụ là 1.5 g/L, pH của dung dịch bằng 5.5 và thời
gian tiếp xúc đƣợc thay đổi từ 30 phút đến 240 phút.


8

Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)
Từ dữ liệu về sự ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II), mô hình
động học của quá trình hấp phụ đƣợc nghiên cứu dựa trên mô hình hấp phụ bậc 1 và bậc 2. Đƣờng
biểu diễn mô hình động học bậc 1 và bậc 2 của quá trình hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite đƣợc
đƣa ra ở Hình 3.11 và 3.12 . Bảng 3.2 thể hiện các thông số của hai mô hình hấp phụ đƣợc tính toán
dựa vào các đƣờng trên.

Hình 3.11. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)

Hình 3.12. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II)


9
Bảng 3.2. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ
Pb(II) và Cd(II) trên goethite
Mô hình động

học

Pb(II)

Cd(II)

Qe
(mg/g)

K1.10-2 (phút-1)

R2

Qe
(mg/g)

K1.10-2 (phút-1)

R2

37.792

2.072

0.9163

45.9198

2.947


0.952

Bậc 1
Q(thực nghiệm)= 61.633 mg/g

Bậc 2

K2.10-3

Qe
(mg/g)

(g.mg-1.phút-1)

60.240

1.397

Q(thực nghiệm) = 52.34 mg/g

K2.10-3

R

Qe
(mg/g)

(g.mg-1.phút-1)

0.9974


73.529

0.365

2

R2
0.925

Qua các kết quả trên có thể kết luận sự hấp phụ Pb(II) đạt đến trạng thái cân bằng sau 120
phút và tuân theo mô hình động học bậc 2. Sự hấp phụ Cd(II) đạt đến trạng thái cân bằng sau 90 phút
và thuận lợi theo mô hình động học bậc 1.
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và đường đẳng nhiệt hấp phụ
Để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu đến sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên
goethite, các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở giá trị pH 5.5 với thời gian tiếp xúc là 120 phút. Nồng độ
ban đầu của Pb(II) và Cd(II) đƣợc thay đổi từ 10 đến 300 mg/L. Kết quả (Hình 3.13) cho thấy trong
vùng nồng độ từ 10 đến 100 mg/g dung lƣợng hấp phụ các ion tăng nhanh. Sau đó, dung lƣợng hấp
phụ Pb(II) tiếp tục tăng nhƣng với tốc độ nhỏ hơn và khi nồng độ đạt trên 200 mg/L thì giá trị này biến
đổi rất ít. Dung lƣợng hấp phụ của Cd(II) tăng rất ít khi nồng độ ban đầu đạt trên 100 mg/L.

Hình 3.13. Dung lượng hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite với các nồng độ ion Pb(II) và Cd(II)
ban đầu khác nhau

Các dữ liệu về sự tƣơng quan giữa dung lƣợng hấp phụ và nồng độ ban đầu của các ion đƣợc
áp dụng vào phƣơng trình đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich dạng tuyến tính để xác định mô hình phù


10
hợp đối với quá trình hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite. Các kết quả đƣợc đƣa ra ở Hình 3.14,

3.15 và Bảng 3.3.

Hình 3.14. Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính
cho sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite

Hình 3.15. Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính
cho sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite
Bảng 3.3. Các thông số của phường trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich đối với sự hấp
phụ Pb(II) và Cd(II) trên goethite
Hấp phụ Pb(II)

Mô hình

Langmuir

Hấp phụ Cd(II)

Qm (mg/g)

KL

R2

Qm (mg/g)

KL

R2

111.111


0.1669

0.999

76.923

0.116

0.995

RL = 0.0195

RL = 0.0279

n

KF

R2

n

KF

R2

2.283

17.354


0.927

2.670

13.010

0.940

Frenundlich


11
Giá trị RL tính toán theo mô hình Langmuir đối với sự hấp phụ Pb(II) và Cd(II) đều nằm trong
khoảng 0÷1 và giá trị n tính toán theo mô hình Freunlich đều nằm trong khoảng 1÷10 chứng tỏ quá
trình hấp phụ hai ion này trên goethite đều thuận lợi.
Hệ số tƣơng quan R2 tính toán theo hai mô hình đối với sự hấp phụ hai ion đều lớn hơn 0.9,
cho thấy quá trình hấp phụ đều phù hợp với cả mô hình Langmuir và Freulich. Tuy nhiên, giá trị R2
tính toán theo mô hình Langmuir lớn hơn theo mô hình Freundlich, cho nên có thể kết luận sự hấp phụ
Pb(II) và Cd(II) trên goethite phù hợp với mô hình Langmuir hơn.
Giá trị Qm tính toán theo mô hình Langmuir đối với Pb(II) và Cd(II) lần lƣợt bằng 111.111 và
76.923 mg/g. Các giá trị này đều cao hơn so với các số liệu trong các công trình đã công bố [1, 4, 5],
cho thấy vật liệu goethite đƣợc tổng hợp với sự hỗ trợ của vi sóng có với diện tích bề mặt lớn nên khả
năng hấp phụ các ion kim loại nặng cao.
3.2.2. Hấp phụ hỗn hợp ion
Việc nghiên cứu hấp phụ hỗn hợp ion là khá phức tạp bởi vì bị chi phối bởi vì ngoài sự tƣơng
tác giữa các ion với bề mặt chất hấp phụ, còn có sự tƣơng tác giữa các ion với nhau. Trong nghiên cứu
này, để nghiên cứu sự hấp phụ đồng thời hai ion trong dung dịch, các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở pH
5.5 với thời gian hấp phụ là 120 phút và nồng độ của Pb(II) đƣợc giữ ở 200 mg/L còn của Cd(II) đƣợc
thay đổi từ 10 đến 130 mg/L. Kết quả thể hiện sự biến đổi của dung lƣợng hấp phụ của các ion vào

nồng độ ban đầu của Cd(II) đƣợc đƣa ra trên hình 3.16.

Hình 3.16. Sự biến đổi của dung lượng hấp phụ ion kim loại trên goethite
ở các nồng độ Cd(II) ban đầu khác nhau
Nhƣ vậy, sự ảnh hƣởng lẫn nhau của các ion trong quá trình hấp phụ là không thực sự rõ ràng.
Với dung lƣợng hấp phụ bão hòa khoảng 155 mg/g, vật liệu goethite cho thấy có nhiều khả năng áp
dụng trong việc xử lý nƣớc chứa hai kim loại năng này. Tuy vậy, cần phải có những nghiên cứu sâu
hơn nhƣ sự ảnh hƣởng của các anion, chất hữu cơ, các cation... đối với sự hấp phụ hai kim loại này.
Tuy nhiên, do thời gian và điều kiện còn hạn chế nên nội dung của đề tài chƣa thể nghiên cứu hết các
vấn đề trên.
3.3. Kết quả nghiên cứu hấp phụ Cr(VI)
3.3.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch
Để tìm ra pH tối ƣu cho quá trình hấp phụ Cr(VI) trên goethite, các thí nghiệm đƣợc thực hiện
ở các pH khác nhau, từ 2.5 đến 6.0 với nồng độ của Cr(VI) bằng 80 µM trong 10 h. Kết quả đƣợc
đƣa ra ở Hình 3.21.


12

Hình 3.17. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các giá trị pH khác nhau
Nhƣ vậy giá trị pH tối ƣu cho sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite là 4.0 và sẽ đƣợc lựa chọn cho
các thí nghiệm tiếp theo.
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và mô hình động học hấp phụ
Để xác định thời gia tối ƣu cho sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite, các thí nghiệm đƣợc tiến hành
ở pH 4.0, nồng độ Cr(VI) bằng 80 µM và thời gian hấp phụ đƣợc thay đổi từ 30 đến 720 phút. Kết quả
đƣợc đƣa ra ở Hình 3.22.

Hình 3.18. Độ hấp phụ Cr(VI) trên goethite ở các khoảng thời gian khác nhau
Để xây dựng mô hình động học phù hợp, các dữ liệu về sự ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc
đƣợc áp dụng vào phƣơng trình động học bâc 1 và bâc 2. Kết quả đƣợc đƣa ra ở Hình 3.19, 3.20 và

Bảng 3.4.

Hình 3.19. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 1 của sự hấp phụ Cr(VI)


13

Hình 3.20. Đường biểu diễn mô hình động học bậc 2 của sự hấp phụ Cr(VI)
Bảng 3.4. Các thông số động học của mô hình bậc hấp phụ Cr(VI) trên goethite
Mô hình bậc 1
Mô hình bậc 2
Q (thực nghiệm)
-3
-5
K1.10
Qe
K2.10
Qe
R2
R2
-1
-1
-1
(phút )
(µmol/g)
(g.mg .phút )
(µmol/g)
38.328 μmol/g
8.982
46.633

0.877
3.630
41.667
0.992
Có thể thấy hệ số tƣơng quan R2 tính toán từ mô hình bậc 2 lớn hơn so với từ mô hình bậc 1và
giá trị Qe thu đƣợc theo mô hình bậc 2 cũng gần với giá trị thực nghiệm hơn so với theo mô hình bậc
1. Kết quả này chứng tỏ sự hấp phụ Cr(VI) trên goethite tuân theo mô hình động học hấp phụ bậc 2.
3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu và đường đẳng nhiệt hấp phụ
Để nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu đến quá trình hấp phụ Cr(VI) trên goethite, các
thí nghiệm đƣợc tiến hành ở pH 4.0 với thời gian tiếp xúc bằng 540 phút. Nồng độ ban đầu của Cr(VI)
đƣợc thay đổi từ 10 đến 150 µM. Hình 3.25 thể hiện sự phụ thuộc của độ hấp phụ và dung lƣợng hấp
phụ vào nồng độ ban đầu của Cr(VI).

Hình 3.21. Sự phụ thuộc của độ hấp phụ và dung lượng hấp phụ Cr(VI)
vào nồng độ Cr(VI) ban đầu
Số liệu từ việc nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu đƣợc áp dụng vào phƣơng trình
đẳng nhiệt Langmuir và Freunlich dạng tuyến tính, để thiết lập mô hình phù hợp cho quá trình hấp phụ
Cr(VI) trên goethite. Kết quả đƣợc đƣa ra ở Hình 3.22, 3.23 và Bảng 3.5.