Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc vật liệu
ống nano cacbon gắn trên gốm và ứng dụng để
xử lý asen trong nước bị ô nhiễm Nguyễn Tuấn Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS. ngành: Hóa môi trường; Mã số: 60 44 41
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Tường
Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Tìm hiểu về vật liệu nano và phương pháp chế tạo, ống nano cacbon, vật
liệu gốm xốp; ô nhiễm asen và phương pháp xử lý. Khảo sát chi tiết các điều kiện
thích hợp để xây dựng quy trình chế tạo vật liệu gốm xốp. Sử dụng các phương pháp
vật lý và hóa lý hiện đại (SEM, BET) để xác định đặc tính của sản phẩm trước và
sau khi gắn (nano cacbon) CNT. Khảo sát khả năng hấp phụ Asen trong môi trường
nước của vật liệu chế tạo được.

Keywords. Hóa môi trường; Vật liệu nano cacbon; Xử lý asen; Ô nhiễm nước; Công
nghệ môi trường Content

I. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
1. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát chi tiết các điều kiện thích hợp để xây dựng quy trình chế tạo vật liệu gốm
xốp.

,
Al
2
O
3
, H
2
O, ngoài ra còn có một lượng nhỏ tạp chất Fe, Ti, K và Mg. Cao lanh được sử dụng
trong đề tài này là Cao lanh Trúc Thôn.
+ Đất sét Trúc Thôn.
+ Các hóa chất khác: Ni(NO
3
)
2
.

xH
2
O, C
2
H
2
O
4
, C
6
H
8
O
4

O
3
, MgO, SiO
2
Các chất có hoạt tính xúc tác là những kim loại như
Fe, Co, Ni…có kích thước nano. Để chế tạo xúc tác theo phương pháp cháy ướt, đầu tiên
chuẩn bị dung dịch muối nitrat của các kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni…), muối nitrat của
kim loại sử dụng làm chất mang (Ca, Mg, Al…) và các chất khử thường được sử dụng:
(NH
2
CH
2
COOH, C
6
H
8
O
7
, (NH
2
)
2
CO, C
2
H
2
O
4
). Phản ứng diễn ra tức thì ở nhiệt độ cao 500-
550

đo theo phương pháp laser, xác định đường kính trung bình (µm). Với phương pháp liên tục
có thể chế tạo một lượng lớn xúc tác đủ đáp ứng cho chế tạo nano cacbon phục vụ cho thí
nghiệm.

6. Chế tạo gốm xốp
Có 2 phương pháp chế tạo vật liệu xốp.
- Chế tạo vật liệu xốp trên cơ sở chất tạo xốp.
- Chế tạo xốp trên cơ sở vật liệu tạo khung xốp có sẵn.
Gốm xốp tạo thành bằng các phương pháp này có hình dạng và kích thước phù hợp
cho từng loại thiết bị và công nghệ chế tạo.
Để chế tạo gốm xốp tiến hành như sau: Lấy cao lanh, đất sét và xúc tác rồi trộn đều
với thể tích xác định của hỗn hợp chất tạo xốp (Trong luận văn này dùng mùn cưa). Tỷ lệ
chất tạo xốp có thể thay đổi. Sau đó, trộn với nước vừa đủ để tạo ra hỗn hợp hơi nhão rồi tạo
hình. Tạo hình xong, đưa vật liệu vào lò nung đến nhiệt độ trong khoảng 1100
o
C và 1400
o
C
trong các khoảng thời gian từ 4 – 8 h.
Thay đổi tỷ lệ chất tạo xốp lên 30 – 50% theo thể tích với cách thức thực hiện thí
nghiệm như trên.

 Sơ đồ công nghệ chế tạo:


Hình 2.8. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu gốm xốp có gắn CNT

Chất lượng của gốm xốp phụ thuộc vào các yếu tố: nguyên vật liệu; hóa chất tạo xốp;
chế độ công nghệ.
Nguyên vật liệu: trong nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn vật liệu để tạo gốm xốp trên
là cao lanh với hàm lượng oxit nhôm cao, thành phần thứ 2 được lựa chọn là đất sét với độ

C; 15 phút
Gốm xốp/CNT
7. Chế tạo Gốm/CNT
7.1. Chế tạo CNT trên gốm
Để đưa nano cacbon lên bề mặt của gốm xốp có 2 phương pháp:
- Phân tán nano cacbon đã biến tính hoặc sử dụng nano cacbon với chất hoạt động bề
mặt và tẩm vào vật liệu gốm xốp
- Gắn hạt xúc tác trên bề mặt của gốm xốp, sau đó tiến hành nhiệt phân và phát triển
sợi cacbon trên lỗ xốp của gốm.
Tùy theo yêu cầu thực tế mà có thể chọn phương pháp đưa nano cacbon lên. Trong
luận văn này sử dụng phương pháp gắn hạt xúc tác trên bề mặt của gốm xốp, sau đó tiến hành
nhiệt phân và phát triển sợi cacbon trên lỗ xốp của gốm. Cụ thể, gốm xốp đã được tẩm các
hạt kim loại xúc tác (Ni, Mg) vào thiết bị tạo CNT theo phương pháp CVD sử dụng khí hydro
cacbon. Các nguyên tử cacbon này khuếch tán xuống đế, và lắng đọng lên các hạt kim loại
xúc tác (Ni, Mg), và CNT được tạo thành. Nhiệt độ để vào khoảng 750
o
C. Và như vậy CNT
đã được hình thành và bám luôn vào gốm xốp.
Sau khi có được CNT gắn trên gốm xốp, tiến hành xác định lượng CNT có trên vật
liệu mới này bằng cách đem cân để xác định khối lượng m
3
. Và ( m
3
– m
1
) chính là khối
lượng của CNT bám vào gốm xốp với m
1
là khối lượng gốm xốp chưa có CNT ban đầu. Khi
đó ta sẽ có:

chúng cũng được sử dụng như là vật liệu lọc. Để khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đã
tiến hành nghiên cứu thời gian đạt cân bằng hấp phụ và tính dung lượng hấp phụ của vật liệu
đối với Asen. Cụ thể:
+ Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu đối với Asen.
Cân chính xác một lượng vật liệu là 2,5 g rồi cho vào 50 ml dung dịch Asen có nồng
độ ban đầu C
0
= 500 ppb. Đặt hệ thí nghiệm vào máy lắc lắc liên tục trong vòng 6 h. Trong
khoảng thời gian đó, tại các thời điểm 0,5 h; 1 h; 2 h; 3 h; 4 h; 5 h và 6 h lấy mẫu và xác định
nồng độ Asen còn lại C
t
trong dung dịch.
+ Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu.
Cân chính xác các lượng vật liệu m = 2 g rồi cho vào các bình có chứa V = 100 ml
dung dịch Asen với các nồng độ ban đầu tăng dần C
0
= 10 ppm; 20 ppm; 50 ppm; 100 ppm;
200 ppm; 300 ppm; 400 ppm; 500 ppm. Đặt hệ thí nghiệm vào máy lắc lắc liên tục. Sau đó
lấy mẫu và xác định nồng độ Asen còn lại C
t
trong dung dịch ở các bình. II. KẾT QUẢ
1. Vật liệu
Vật liệu sau khi chế tạo được đo đạc khảo sát và kết quả được đưa ra ở bảng sau:
Bảng 3.10. Kết quả đo mức độ xốp và hàm lượng CNT trên gốm xốp
Mẫu
4h
5h

2
trên vật liệu gốm xốp

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của N
2
trên gốm xốp

Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ Langmuir của vật liệu hấp phụ N
2

trên gốm xốp
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ N
2

trên gốm xốp
Hình 3.12. Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của N
2
trên gốm xốp/CNT

Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của vật liệu hấp phụ N
2

trên gốm xốp có gắn
CNT, tại p/p
o
= 0 thì lượng N
2
hấp phụ của vật liệu đã là 2 cm
3
/g và khi p/p
o
tăng từ 0,85 đến
1 thì lượng N
2
hấp phụ của vật liệu tăng đột biến từ 12 đến 47 cm
3
/g. Như vậy, sau khi gắn
CNT, lượng N
2
hấp phụ của vật liệu đã tăng ~ 17 lần.
+ Ngoài ra kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu gốm xốp có gắn ống nano cacbon
theo BET diện tích tăng lên ~ 16 lần (12,6 m
2
/g) so với vật liệu gốm xốp khi chưa gắn ống
nano cacbon (0,8 m
2
/g).
+ Không chỉ vậy, từ đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt riêng của gốm xốp, đối với các
mao quản có đường kính từ 1 - 5 nm thì diện tích lớn nhất là ~ 0,13 m
2
/g.nm nhưng cũng từ
đồ thị của gốm xốp đã gắn CNT, với các mao quản có đường kính từ 1 – 5 nm thì diện tích đã

292
41,6
3
500
230
54,0
4
500
190
62,0
5
500
187
62,6
6
500
183
63,4

0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7
Thời gian (h)
Hiệu suất (%)

50
12,8
1,86
6,88
4
80
22,9
2,85
8,02
5
100
34,9
3,25
10,72
6
150
62,1
4,39
14,12
7
200
89,2
5,54
16,10
Hình 3.15. Đồ thị để tính dung lượng hấp phụ cực đại theo Langmuir
quá trình hấp phụ đã đạt cân bằng.
5. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu với các dung dịch Asen có nồng
độ tăng dần là: 10 ppm, 20 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 300 ppm, 400 ppm,
500 ppm. Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại tính theo cân bằng hấp phụ
đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu đối với Asen là 6,85 mg As/g.
References
Tài liệu tiếng Việt
1. Hoàng Nhâm (2003), Hóa học vô cơ. Tập 3, NXBGD.
2. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải,
Nhà xuất bản Thống Kê, Hà Nội.
3. Lê Văn Khoa (1995), Môi trường và ô nhiễm, NXBGD.
Tài liệu tiếng Anh
4. A. Borrell, V.G. Rocha, R.Torecillas, A. Fernánder (2011),“ Surface coating on
carbon nanofibers with alumina precursor by different synthesis routes ”, Composites
Science and Technology, pp 18-22.
5. Arnold Greenberg (1985), “Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater 16
th
Edition”, American Public Health Association, Washington, DC.
6. B.Xing, K.Yang, L.Zhu (2006), “Pollution prevention and treatment using
nanotechnology”, Environ.Sci.Technol, 40, pp.18-55.
7. Do Trong Su (1997), “Assessment of Underground water Pollution in Bac Bo Delta
Plain and Proposal Solutions for Water Source Protection”, Geological Archives,
Hanoi.
8. H. S. Nalwa. “Handbook of Nanostructure Materials and Nanotechnology, Volume 5:
Organics Polymers, and Biological Materials”, Copyright 2000 by Academic Press.
9. H.E. Eguez, E.H. Cho (1987), “ Adsorption of arsenic on activated charcoal”, J.

20. Tran Thi Ngoc Dung, Nguyen Thuy Phuong, Nguyen Manh Tuong (2011), “Studies
on preparation of nanosilver- and carbonnanotubes- coated porous ceramic material
used for waterpurification”, Proceedings of IWNA 2011
21. Virender K. Sharma, Mary Sohn (2009), “Aquatic arsenic: Toxicity, speciation,
transformations, and remediation”, Environment International, 35, pp 743–759.
22. X.G. Meng, G.P Korfitis, M. Dadachov, C. Christodoulatos (2003), “Method of
Preparing a Surface-activated Titanium Oxide Producr and of Using the Same in Water
Treatment Processes”, Patent pending, application no. 20030155302.
23. X.L.Wang, B.S.Xing, K.Yang, L.Z.Zhu (2006), “Competitive sorption of pyrene,
phenanthrene, and naphthalene on multiwalled carbon nano tubes”, Environ.Sci.Technol,
40, pp. 58-04.
24. Yunfei Xi, Megharaj Mallavarapu, Ravendra Naidu (2010), “ Reduction and
adsorption of Pb
2+
in a queous solution by nano-zero-valent-A SEM, TEM and XPS
study”, Material Research Bullentin 45, pp 1361-1367.