ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHSP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA

------------------------NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHỆP

1.

Họ và tên:

HUỲNH THỊ LY NA

2.

Lớp:

13CHP

3.

Tên đề tài:

“Nghiên cứu điều chế vật liệu Nano lưỡng kim Fe/Cu và ứng

dụng để xử lý nitrat trong nước”


NaBH4 rắn.

-

NaOH rắn.

4.2 Dụng cụ, thiết bị
-

Máy khuấy từ

-

Cân phân tích (Độ chính xác đến 0.001g)

-

Tủ sấy

-

Máy ly tâm

-

Máy đo pH SensION+ PH31, HACH
Máy chụp nhiễu xạ tia X (XRD)

-


xử lý nitrat của Nano lưỡng kim Fe/Cu
-

Khảo sát sự ảnh hưởng của khối lượng vật liệu nano đến hiệu suất xử lý nitrat

của Nano lưỡng kim Fe/Cu.
-

Xử lý số liệu, tính toán và nhận xét.

6.

Giảng viên hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Vững

7.

Ngày giao đề tài: Ngày 1 tháng 9 năm 2016

8.

Ngày hoàn thành: Ngày 3 tháng 4 năm 2017
Chủ nhiệm khoa

Giảng viên hướng dẫn

(Kí và ghi rõ họ tên)

(Kí và ghi rõ họ tên)


Sinh viên

Huỳnh Thị Ly Na


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ............................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
3.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................................2
3.2. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2
4.1. Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................................2
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .....................................................................4
1.1. Tổng quan về nitrat ..............................................................................................4
1.1.1. Tính chất hóa lý của Nitrat [4] ..........................................................................4
1.1.2. Nguồn gây ô nhiễm Nitrat trong nước ngầm [11].............................................5
1.1.3. Ảnh hưởng độc hại của Nitrat đối với con người và sinh vật [4] .....................6
1.1.4. Một số phương pháp xử lý nước ô nhiễm Nitrat [1] .........................................7
1.1.4.1. Phương pháp sử dụng hạt nhựa trao đổi ion .............................................7
1.1.4.2. Phương pháp khử sinh học .........................................................................8
1.1.4.3. Phương pháp điện phân .............................................................................8
1.1.4.4. Phương pháp thẩm thấu ngược ..................................................................8
1.1.5. Một số phương pháp xác định hàm lượng Nitrat trong phòng thí nghiệm .......8
1.1.5.1. Phương pháp phân tích thể tích .................................................................8
1.1.5.2. Phương pháp trắc quang [nnj]...................................................................9
1.2. Tổng quan về vật liệu nano ................................................................................11

3.2. Kết quả đồ thị đường chuẩn NO3- xác định bằng phương pháp trắc quang với
thuốc thử axit fenoldisunfonic ..................................................................................29
3.3. Kết quả khảo sát khả năng xử lý của nano lưỡng kim với nước bị ô nhiễm nitrat
nhân tạo .....................................................................................................................30
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Nitrat bằng
Nano lưỡng kim Fe/Cu ..............................................................................................30
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Nitrat
bằng Nano lưỡng kim Fe/Cu .....................................................................................32
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NO3- ban đầu đến hiệu quả xử lý nước ô
nhiễm nitrat bằng nano lưỡng kim Fe/Cu. ................................................................33
KẾT LUẬN ...............................................................................................................35
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................36


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 Giới hạn cho phép hàm lượng nitrat trong nước ................................................... 7
Bảng 1. 2 Các chất và hợp chất có thể xử lý bằng Fe0 nano ................................................ 17
Bảng 3. 1 Các thông số kích thước hạt………………………………………………….. 28
Bảng 3. 2 Kết quả đo độ hấp thụ của dãy chuẩn .................................................................. 29
Bảng 3. 3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Nitrat .... 31
Bảng 3. 4 Kết quả ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm Nitrat......... 32
Bảng 3. 5 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ Nitrat ban đầu đến hiệu quả xử lý nước ô nhiễm
Nitrat .................................................................................................................................... 33


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Ứng dụng của sắt nano trong môi trường ............................................................ 15
Hình 1. 2 Mô hình cấu tạo hạt Sắt nano và các phản ứng khử xảy ra trên bề mặt của hạt Fe0
nano. ..................................................................................................................................... 19
Hình 1. 3 Mô hình khái niệm của sự suy giảm nitrat bằng nano Fe/Cu [13]....................... 21

hàm lượng oxy tan trong nước, phá hủy hệ động vật thủy sinh, ảnh hưởng nghiêm
trọng đến sức khỏe môi trường và chất lượng nước mặt. Nitrat cũng là nguyên nhân
của bệnh methemoglobin, hết sức có hại cho trẻ em và các bà mẹ đang nuôi con nhỏ
[6]. Có rất nhiều phương pháp xử lý nước ô nhiễm nitrat như phương pháp thẩm thấu
ngược, trao đổi anion, hấp phụ, xử lý sinh học…,Một trong những hướng nghiên cứu
mới hiện nay đang được rất nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm
đó là công nghệ sử dụng sắt nano (nano Feo) để xử lý nitrat.
Ưu điểm của hạt nano sắt hoá trị không (nano Feo) trong xử lý nitrat là do kích thước
hạt nhỏ nên diện tích bề mặt riêng lớn hơn và độ phản ứng bề mặt cao hơn. Ngoài ra,
những hạt này không độc hại, có ở mọi nơi, không tốn kém và có thể được tiêm vào
vùng nước ngầm bị ô nhiễm. Tuy nhiên, kích thước nano Feo có thể mất khả năng
phản ứng của nó do quá trình oxy hóa bởi oxy trong không khí, đó là hạn chế trong
xử lý. Để khắc khục tình trạng này, phủ lớp kim loại Cu trên các hạt nano Feo, tạo
thành hạt nano lưỡng kim Fe/Cu tăng tỷ lệ giảm nitrat trong dung dịch nước và giảm
sự tập hợp và kết tụ của các hạt nano khi tiêm vào vùng nước ô nhiễm. [8]
Từ những lí do trên, tôi tiến hành đề tài :” Nghiên cứu điều chế nano Fe/Cu và sử
dụng để xử lý nitrat trong nước ngầm”.

2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
❖ Xây dựng quy trình điều chế nano Fe/Cu
❖ Nghiên cứu quá trình phân hủy nitrat với tác nhân nano Fe/Cu
❖ Tìm ra các thông số tối ưu để quá trình phân hủy nitrat đạt hiệu quả cao nhất
bởi tác nhân nano Fe/Cu.

SVTH: Huỳnh Thị Ly Na

Trang 1


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Huỳnh Thị Ly Na

Trang 2


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
❖ Nghiên cứu này giúp hiểu biết rõ hơn về phương pháp điều chế hạt nano lưỡng
kim Fe/Cu.
❖ Nghiên cứu quá trình xử lý nitrat bằng nano Fe/Cu nhằm đưa đến một phương
án xử lý nitrat trong nước ngầm: đơn giản, hiệu quả cao.

SVTH: Huỳnh Thị Ly Na

Trang 3


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về nitrat
1.1.1. Tính chất hóa lý của Nitrat [4]
Trong muối Nitrat, ion NO3- có cấu tạo hình đa giác đều với góc ONO bằng 1200 và
độ dài liên kết N-O bằng 1,218 A0.


Hg(NO3)2 → Hg +2NO2 + O2
Ở nhiệt độ cao, muối Nitrat phân hủy ra oxi nên chúng là các chất oxi hóa mạnh. Khi
cho than nóng đỏ vào muối kali Nitrat nóng chảy, than bùng cháy.
Ion NO3- trong môi trường axit có khả năng oxi hoá như axit nitric.
Trong môi trường trung tính muối Nitrat hầu như không có khả năng ôxi hóa, nhưng
trong môi trường kiềm có thể bị Al, Zn khử đến NH3.
4 Zn + NO3- + 7 OH- → 4 ZnO2- + NH3 + 2 H2O
Do tính chất oxi hóa trong môi trường axit, Nitrat còn có khả năng tham gia nitro hóa
với một số chất hữu cơ như: axit sulfosalicilic, diphenylamin, antipyrin. Khi chuyển
về môi trường kiềm sản phẩm của quá trình nitro hóa sẽ có màu. Đây là cơ sở cho
phản ứng định lượng Nitrat bằng phương pháp trắc quang.

1.1.2. Nguồn gây ô nhiễm Nitrat trong nước ngầm [11]
❖ Nguồn gốc tự nhiên
Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng: các hiện tượng xói mòn, xâm thực,
hiện tượng sét trong tự nhiên, v.v xảy ra giải phóng các hợp chất của nitơ dẫn tới quá
trình nitrat hóa. Tuy nhiên, trong môi trường tự nhiên, các hợp chất này có khả năng
được đồng hóa và đưa về trạng thái cân bằng.
Nitrat tự nhiên trong nước ngầm có nồng độ rất thấp (thường ít hơn 10 mg/l NO3)
SVTH: Huỳnh Thị Ly Na

Trang 5


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

❖

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững




Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

phản ứng với Hemoglobin tạo thành methaemoglobinemia làm mất khả năng vận
chuyển oxi của Hemoglobin.
Thông thường Hemoglobin chứa Fe2+, ion này có khả năng liên kết với oxi. Khi có
mặt NO2- nó sẽ chuyển hoá thành Fe3+ làm cho hồng cầu không làm được nhiệm vụ
chuyển tải oxi. Nếu duy trì lâu sẽ dẫn tới tử vong.
4HbFe2+(O2) +4NO2- + 2H2O → 2HbFe3+ + OH- +4NO3- +O2
Sự tạo thành methaemoglobinemia đặc biệt thấy rõ ở trẻ em. Trẻ em mắc chứng bệnh
này thường xanh xao và dễ bị đe doạ đến cuộc sống đặc bệt là trẻ dưới 6 tháng tuổi.
Do độc tính của nitrat mà các tổ chức y tế thế giới và các quốc gia đều có những qui
định về hàm lượng của ion này trong nước. Ở Việt Nam, Bộ Tài Nguyên Môi
Trường, Bộ Y tế đã ban hành các quy chuẩn và tiêu chuẩn về hàm lượng cho phép
nitrat như sau:
Bảng 1. 1 Giới hạn cho phép hàm lượng nitrat trong nước
Nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT)

Nước

ngầm Nước uống (QCVN

(QCVN
Sinh hoạt

Mục đích khác


thế hết bởi anion nitrat, lúc này lớp nhựa đã hết khả năng hoạt động nên cần tiến hành
tái sinh bằng dung dịch muối.

1.1.4.2. Phương pháp khử sinh học
Sử dụng phương pháp khử sinh học để khử nitrat thường không phổ biến cho xử lý
nước cấp mà thường được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Quá trình này
loại bỏ nitrat bằng vi khuẩn trong một lò phản ứng thiếu oxy. Khử nitrat có thể sử
dụng hai hình thức dị dưỡng và tự dưỡng vi khuẩn.

1.1.4.3. Phương pháp điện phân
Điện phân là quá trình mà các cation bán thấm (ion tích điện dương) và anion chuyển
giao trực tiếp. Nguồn nước chảy giữa các cation và anion qua miếng đệm lưu lượng
được đặt giữa màng. Các miếng đệm được sử dụng để cung cấp một đường dòng
chảy cho nước, hỗ trợ các lớp màng và tạo ra dòng chảy.

1.1.4.4. Phương pháp thẩm thấu ngược
Thẩm thấu ngược là quá trình để loại ion hòa tan trong nước, trong đó áp lực được sử
dụng để đẩy nước chảy qua màng, một số ion hòa tan trong nước sẽ bị giữ lại tại các
màng lọc.

1.1.5. Một số phương pháp xác định hàm lượng Nitrat trong phòng thí
nghiệm
1.1.5.1. Phương pháp phân tích thể tích
Người ta có thể xác định Nitrat theo phương pháp này dựa trên phản ứng khử NO3về các trạng thái oxi hoá thấp hơn bằng các chất khử thích hợp. Sau đó tiến hành
phép chuẩn độ (có thể sử dụng chuẩn độ trực tiếp hay chuẩn độ ngược).
Phép chuẩn độ ngược thì một lượng chính xác dung dịch chuẩn Fe2+ được cho dư so
với lượng cần thiết vào dung dịch mẫu. Sau đó lượng dư Fe2+ được chuẩn độ bằng
dung dịch Cr2O72- với chất chỉ thị là ferroin. Các phản ứng xảy ra như sau:
SVTH: Huỳnh Thị Ly Na


SO3H

+

NO 3

O 2N

-

SO3H

SO3H

+

-

HO

SO3H

Axit phenoldisunfonic

-

OH
O 2N

SO3H


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

natri. Ở môi trường bazơ mạnh phức này có màu vàng và được đo bằng máy đo
quang tại bước sóng λ = 410nm.
Phương trình phản ứng
OH

OH
COONa

+

COONa
NO 3

-

+

+

+

H

H2O


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

1.2. Tổng quan về vật liệu nano
1.2.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano
1.2.1.1. Khái niệm vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước nanomet (1 nm
= 10-9 m). Đây là đối tượng nghiên cứu của khoa học nano và công nghệ nano, nó
liên kết hai lĩnh vực này với nhau. Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích
thước của chúng vào cỡ nanomet, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa
lý của vật liệu thông thường. Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu. Kích thước
của vật liệu nano trải một khoảng từ vài nanomet đến vài trăm nanomet tùy thuộc vào
bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu. []

1.2.1.2. Phân loại vật liệu nano
❖

Phân loại theo hình dáng vật liệu

- Vật liệu nano không chiều: cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự
do nào cho điện tử, ví dụ, đám nano, hạt nano...
- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử
được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,...
- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều
tự do, ví dụ, màng mỏng,...
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một
chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
❖

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung
bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua
những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của
chúng. Nhưng đối với vật liệu có cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu nhỏ, hệ có
rất nhiều nguyên tử thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn và không thể bỏ
qua. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức
năng lượng giống như một nguyên tử.
❖ Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các
nguyên tử của vật liệu sẽ chiếm tỉ lệ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối.
Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt
động bề mặt…..của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó mở ra những ứng dụng

SVTH: Huỳnh Thị Ly Na

Trang 12


Báo cáo khóa luận tốt nghiệp

GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học
đang quan tâm, nghiên cứu.
❖ Hiệu ứng kích thước
Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lý, hóa
học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính
axit….Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ bất biến nếu kích thước của
vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống
cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không còn là bất

Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền
kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước
nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp
biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn (có
thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình.
Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ
gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại
thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây
nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng
các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano.
b. Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới
lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối
cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương
pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết
hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
- Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển
pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc
bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang. Phương pháp vật lý thường được
dùng để tạo các hạt nano, màng nano như ổ cứng máy tính.
- Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp
hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải
thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây
nano, ống nano, màng nano, bột nano,...

SVTH: Huỳnh Thị Ly Na

Trang 14




GVHD: TS. Bùi Xuân Vững

Sắt nano có thể khử hầu hết các hợp chất hữu cơ chứa clo thành các hợp chất
không độc như hydrocacbon, clo và nước.
Lowry đã đánh giá hiệu quả loại bỏ clo của PCBs hòa tan trong dung dịch
nước- metanol bằng sắt có kích thước mico và nano. Với vật liệu sắt micro ngoài thị
trường không quan sát thấy bất kỳ sự loại bỏ clo nào sau 180 ngày, còn thí nghiệm
sau 45 ngày với sắt nano cho thấy sắt nano có khả năng khử clo của PCBs trong hỗn
hợp nước –metanol ở điều kiện thường.
a. Loại bỏ các ion kim loại nặng
• Loại bỏ Asen
Kanel và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm ở các hàm lượng sắt nano khác
nhau (0,5; 2,5; 5; 7,5; 10g/l) để đánh giá khả năng hấp phụ As(III) (1mg/l ở pH =7)
trên bề mặt vật liệu. Kết quả thu được cho thấy ngoại trừ ở nồng độ 0,5g/l, hơn 80%
lượng Asen bị hấp phụ trong 7 phút và gần 99% bị hấp phụ sau 60 phút. Dung lượng
hấp phụ cực đại tính theo định luật Freundlich là 3,5mg Asen/g sắt nano ở 250C.
• Loại bỏ Pb và Cr
Sắt nano đã được ổn định tách và giữ Cr(VI) và Pb(II) từ dung dịch nhanh
hơn, khử Cr(VI)Cr(III) và Pb(II)Pb(0), đồng thời oxy hóa sắt thành geolit. Dựa
trên những thí nghiệm với 0,5g sắt nano và 100ml hoặc 50mmol dung dịch trong 8
ngày, 1g sắt nano loại bỏ 12mmol Cr(VI) và 0,18mmol Pb(II).
b. Sự loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ
• Loại bỏ Selen
Mondal và các cộng sự đã nghiên cứu loại bỏ Selen bằng vật liệu sắt nano và
hợp kim Fe-Ni tổng hợp. Trong 5h thí nghiệm, gần 100% Selen bị loại bỏ bởi vật liệu
Fe0 nano. Với hàm lượng vật liệu là 0,1g/l, sự loại bỏ của sắt nano đạt 155mg/g. Ở
những nồng độ xác định, hiệu quả xử lý Selen của sắt nano tăng khi tăng lượng vật
liệu sử dụng.
• Loại bỏ nitrat

Cacbontetraclorua (CCl4)

Các hợp chất Clo metan

1.2.

Cloroform (CHCl3)

1.3.

Diclorometan (CH2Cl2)

1.4.

Clorometan (CH3Cl)

2

2.1. Bromoform (CHBr3)

Các hợp chất Trihalo metan

2.2.

Dibromoclorometan

(CHBr2Cl)
2.3. Diclorobromometan (CHBrCl2)
3