Nghiên cứu quá trình hấp phụ ion Th (IV) trên vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ION (IV)
TRÊN VẬT LIỆU SILICA MAO QUẢN TRUNG BÌNH
SBA-15
Vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15 được tổng hợp từ các nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có
trong nước giá thành thấp. SBA-15 được ứng dụng để nghiên cứu quá trình hấp phụ ion Th(IV) trong
nước. Ảnh hưởng của pH, thời gian hấp phụ, mô hình hấp phụ đã được nghiên cứu và thảo luận.
Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ phụ thuộc vào pH của dung dịch, vật liệu SBA-15 có khả
năng hấp phụ tốt ion Th (IV) trong dung dịch, động học hấp phụ tuân theo phương trình động học
biểu kiến bậc 2, dung lượng hấp phụ cực đại đạt 116,3 mg/g và quá trình hấp phụ được mô tả theo
mô hình đẳng nhiệt Langmuir.
1. MỞ ĐẦU
nhau đã được nghiên cứu rộng rãi. Trong đó, việc
lựa chọn vật liệu hấp phụ có hiệu quả cao, giá
thành thấp nhận được sự quan tâm của rất nhiều
nhà khoa học. Trong nghiên cứu này, quá trình
hấp phụ ion (IV) trong nước trên vật liệu SBA-
15 được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu rẻ
tiền trong nước đã được nghiên cứu. Các nghiên
cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc pha, pH và
mô hình hấp phụ của ion trong dung dịch đã
được tiến hành.
Vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15 được
tổng hợp từ oxit silic hoặc oxit nhôm, SBA-15 có
đường kính mao quản từ 3 – 10nm, có các vi mao
quản liên kết giữa các mao quản trung bình và
thành tường mao quản dày nên bền về thủy nhiệt.
Diện tích bề mặt lớn từ 400 – 900 m2/g nên SBA-
15 rất linh hoạt và được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực như xúc tác và xử lý môi trường. Trên
thế giới, vật liệu mao quản trung bình thường
được tổng hợp từ TEOS tuy nhiên giá thành cao
nên cần nghiên cứu tìm loại vật liệu silica thay
thế. Trong nghiên cứu này, thủy tinh lỏng (Na-
2SiO3) và axit sulfuric (H2SO4) đậm đặc được sử
dụng để tổng hợp SBA-15.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất sử dụng
Pluronic (P123) EO20PO70EO20, thủy tinh lỏng
(Na2SiO3) Việt Nam, dung dịch H2SO4 98%, muối
(NO3)4, dung dịch HNO3 0,01 mol/l, NaOH,
nước cất.
Quá trình khai thác và chế biến quặng phóng xạ
và quặng sa khoáng ven biển đang phát triển ở
Việt Nam. Song song với sự phát triển đó là các
vấn đề đảm bảo an toàn môi trường phóng xạ,
đặc biệt là nước thải nhiễm các nguyên tố phóng
xạ (U, , Ra, …) không được xử lý đạt tiêu chuẩn
đã thải ra môi trường đang là vấn đề rất nghiêm
trọng, gây ô nhiễm môi trường đất, nước và đời
sống động thực vật, con người trong thời gian dài.
2.2. Tổng hợp vật liệu silica mao quản trung
bình SBA-15
Cân 8g chất hoạt động bề mặt Pluronic P123 cho
hòa tan trong 380 ml nước cất, cho vào cốc thủy
tinh 1000 ml khuấy ở 35 - 40oC trên bếp từ trong
vòng 2h, tốc độ khuấy 500v/p cho đến khi tạo
dung dịch trong suốt (A). Cân 37g thủy tinh lỏng
(28,8% SiO2, 3,2% Na2O) thêm vào A bằng máy
Trong những năm gần, ion (IV) được xử lý
bằng quá trình hấp phụ trên các vật liệu khác
Số 66 - áng 03/2021 37
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
khuấy từ ở nhiệt độ phòng. Hỗn hợp được giữ hành một loạt các thí nghiệm theo mẻ với các
khuấy trong 1 – 2 giờ tạo dung dịch đồng nhất. điều kiện sau: nồng độ ion (IV) ban đầu = 100
Đổ nhanh 10 ml axit sulfuric đậm đặc (98%) vào mg/l, pH = 4, lượng chất hấp phụ sử dụng = 5 mg,
và khuấy mạnh trong vòng 1h, sau đó hỗn hợp thời gian tiếp xúc pha (lấy mẫu) sau 15 phút, 30
được chuyển sang bình cầu thủy tinh có ống hồi phút, 60 phút, 120 phút, 240 phút, 480 phút như
lưu và đưa vào lò vi sóng để kết tinh trong 3 giờ. hình 1.
Hỗn hợp sau đó được già hóa trong tủ sấy ở 800C
trong 20 giờ, sau đó để nguội và lọc, rửa phần
rắn thu được về pH = 7 và sấy ở 800C qua đêm,
và nung trong không khí ở 5500C trong 5 giờ thu
được sản phẩm SBA-15.
2.3. í nghiệm hấp phụ
Dung dịch thori được pha từ muối thori nitrat
((NO3)4) trong nước cất. Các thí nghiệm được
tiến hành theo mẻ ở nhiệt độ phòng trên máy lắc
ngang IKA HS 260 basic ở tốc độ 120 vòng/phút.
Hình 1. Đồ thị ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc pha
đến nồng độ cân bằng ion (IV) trong dung dịch
Trong các thí nghiệm hấp phụ: 5mg vật liệu hấp
Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ ion (IV)
phụ (SBA-15) được thêm vào bình nón chứa 50ml
trên vật liệu SBA-15 diễn ra tương đối nhanh. Sau
dung dịch ion (IV) với các nồng độ pha sẵn.
60 phút quá trình hấp phụ đạt bão hòa, nồng độ
Khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng, lọc bằng giấy
cân bằng của ion (IV) trong dung dịch gần như
lọc băng xanh tách pha rắn – lỏng. Dung dịch
không thay đổi.
thu được phân tích nồng độ thori còn lại bằng
Dựa vào đó, chọn 60 phút là thời gian hấp phụ ion
phương pháp trắc quang so màu với arsenazo III
(IV) trong dung dịch đạt cân bằng để tiếp tục
ở bước sóng 655nm hoặc phân tích ICP-OES.
nghiên cứu các thí nghiệm tiếp theo.
- Dung lượng tại thời điểm t:
3.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch
qt = (C0 - Ct).V/m (mg/g)
- Dung lượng cân bằng:
qe = (C0 - Ce).V/m (mg/g)
Trong đó:
C0: nồng độ ion (IV) ban đầu (mg/l),
Ct: nồng độ ion (IV) tại thời điểm t (mg/l),
m: lượng vật liệu hấp phụ SBA-15 sử dụng (g),
V: thể tích dung dịch (ml).
Hình 2. Đồ thị ảnh hưởng pH đến quá trình hấp
phụ ion (IV) trong dung dịch
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
pH của dung dịch có thể ảnh hưởng đến trạng
thái tồn tại của ion (IV) trong dung dịch và vị
trí gắn ion kim loại trên bề mặt. Ảnh hưởng của
3.1. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ
Để xác định thời gian hấp phụ đạt cân bằng, tiến
38 Số 66 - áng 03/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
pH đầu đến quá trình hấp phụ đã được nghiên
cứu trong dải pH dung dịch từ 2 đến 6, thời gian
hấp phụ 60 phút, nồng độ đầu 10 mg/l, lượng chất
hấp phụ 5 mg (hình 2), pH dung dịch được điều
chỉnh bằng dung dịch NaOH loãng.
Đồ thị hình 2 cho thấy, khi pH dung dịch tăng từ
2 đến 4 thì hiệu suất hấp phụ (IV) trong dung
dịch tăng nhanh đến đạt cực đại (99%), tiếp tục
tăng pH >4 thì hiệu suất không thay đổi. Dựa vào
giảm đồ trạng thái tồn tại của ion (IV) trong
nước (hình 5 – phụ lục) có thể nhận xét rằng vật
liệu SBA-15 hấp phụ tốt nhất ion (IV) ở trạng
thái [(OH)]3+ và [(OH)2]2+, khi pH > 4 các
ion (IV) có xu hướng kết tủa trong dung dịch
ở dạng [(OH)4], khi pH thấp (2 – 3) hiệu suất
hấp thụ thấp có thể do trong môi trường axit có
sự cạnh tranh của ion H+ dư thừa trong dung dịch
với ion (IV). Từ đồ thị có thể thấy pH = 4 là
giá trị pH tối ưu đối với quá trình hấp phụ ion
(IV) trong dung dịch.
Hình 3. Đồ thị quan hệ Co và qe quá trình hấp
phụ ion (IV) trong dung dịch.
Đẳng nhiệt hấp phụ mô tả sự phân bố của chất
hấp phụ trong pha lỏng ở thời điểm cân bằng. Hai
mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phổ biến là Lang-
muir và Freundlich.
Dạng công thức toán học của mô hình Langmuir
là:
Trong đó: qe (mg/g) là dung lượng hấp phụ ở thời
điểm cân bằng, qmax (mg/g) là dung lượng hấp
phụ cực đại của vật liệu, KL (l/mg) hằng số đặc
trưng cho lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ tại một nhiệt độ xác định.
Kết quả cho phép chọn giá trị pH đầu = 4 là giá trị
pH tối ưu để tiếp tục nghiên cứu các thí nghiệm
khác.
3.3. Nghiên cứu mô hình hấp phụ ion (IV)
trong nước
Mô hình đẳng nhiệt Freundlich mô tả quá trình
hấp phụ đa lớp, được số hóa bằng phương trình:
Nghiên cứu mô hình hấp phụ cho kết quả như
một hàm của nồng độ với nồng độ đầu dao động
từ 10 – 150 mg/l, pH = 4, thời gian hấp phụ là 60
phút và lượng vật liệu là 5 mg, (hình 3). Có thể dễ
dàng nhận thấy rằng, dung lượng hấp phụ tăng
khi tăng nồng độ ban đầu từ 10mg/l đến 70 mg/l
do khi nồng độ ion (IV) thấp, các ion nhanh
chóng được hấp phụ trên các tâm hấp phụ trống
trên bề mặt vật liệu SBA-15, tuy nhiên khi tiếp tục
tăng nồng độ đầu lên 70 mg/l và 150 mg/l thì hầu
hết các tâm hấp phụ trống đã bị chiếm giữ dẫn
đến dung lượng cân bằng thay đổi gần như không
đáng kể. Điều này cho thấy quá trình hấp phụ đã
đạt đến trạng thái cân bằng, vật liệu SBA-15 đã
hấp phụ bão hòa ion (IV).
KF và n là các hằng số Freundlich đặc trưng cho
dung lượng và cường độ hấp phụ.
Bảng 1. Các tham số đẳng nhiệt Langmuir của
quá trình hấp phụ ion (IV) trên SBA-15 ở 298K
Bảng 2. Các tham số đẳng nhiệt Freundlich của
quá trình hấp phụ ion (IV) trên SBA-15 ở 298K
Số 66 - áng 03/2021 39
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Từ các số liệu thu được ở trên, xây dựng phương 4. KẾT LUẬN
trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich ta được
kết quả như trong bảng 1 và bảng 2.
Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, SBA-15 là vật liệu
hấp phụ hiệu quả ion (IV) trong nước, trong
điều kiện tối ưu là: nồng độ dung dịch ban đầu
70 mg/l, pH = 4, thời gian hấp phụ là 60 phút với
lượng vật liệu hấp phụ là 5 mg trong điều kiện
nhiệt độ phòng (250C).
Từ bảng 1 và bảng 2 cho thấy, quá trình hấp phụ
ion (IV) trên vật liệu SBA-15 tuân theo mô
hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (R2 = 0,991)
tốt hơn so với mô hình Freundlich (R2 = 0,836).
Giá trị hấp phụ cực đại đạt 116,3 mg/g.
Trong các mô hình đẳng nhiệt áp dụng để nghiên
cứu, mô hình đẳng nhiệt Langmuir cho thấy là
mô hình phù hợp nhất phản ánh quá trình hấp
phụ. Điều này chứng tỏ bề mặt vật liệu hấp phụ là
đồng nhất và quá trình hấp phụ là đơn lớp. Dung
lượng hấp phụ tối đa của vật liệu SBA-15 theo mô
hình Langmuir trong điều kiện tối ưu là 116,3
mg/g.
Từ kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian hấp
phụ, nghiên cứu động học quá trình hấp phụ
thori trên vật liệu SBA-15 (hình 4)
Nguyễn Văn Chính, Vương Hữu Anh,
Lưu Cao Nguyên, Dương Đình ơ
Viện Công nghệ xạ hiếm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S.M. Holmes, V.L. Zholobenko, A. ursfield,
R.J. Plaisted, C.S. Cundy, J. Dwyer, Journal of the
Chemical Society, Faraday Transactions 94 (1998)
2025–2032.
[2] A. Sousa, K.C. Souza, S.C. Reis, R.G. Sousa, D.
Windmoller, J.C. Machado, E.M.B. Sousa, Journal
of Non-Crystalline Solids 354 (2008) 4800–4805.
Hình 4. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (a) và
bậc 2 (b) hấp phụ thori trên SBA-15
Từ hình 4 có thể thấy, quá trình hấp phụ thori
trên SBA-15 tuân theo mô hình động học biểu
kiến bậc 2 (R2 = 0,9995). Các tham số mô hình
được cho trong bảng 3.
Bảng 3. Các tham số của phương trình động
học biểu kiến bậc 2 hấp phụ (IV) trên SBA-15
[3] L.W. Ji, W.S. Shih, T.H. Fang, C.Z. Wu, S.M.
Peng, H. Meen, Journal of Materials Science 45
(2010) 3266–3269.
[4] P. Topka, H. Balcar, J. Rathousky, N. Zilkova, F.
Verpoort, J. Cejka, Microporous and Mesoporous
Materials 96 (2006) 44–54.
[5] P. Sharma, R. Tamar, Synthesis and applica-
tion of an analogue of desolate for the removal
of uranium(VI), thorium(IV), and europium(III)
40 Số 66 - áng 03/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
from aqueous waste, Microspor. Mesopor. Mater.
116 (2008) 641–652.
[6] Q. Fana, P. Li, Y. Chena, W. Wu, Preparation
and application of attapulgite/iron oxide mag-
netic composites for the removal of U(VI) from
aqueous solution, J. Hazard. Mater. 192 (2011)
1851–1859.
[7] X. Tan, X. Wang, M. Fang, C. Chen, Sorption
and desorption of (IV) on nanoparticles of
anatase studied by batch and spectroscopy meth-
ods, Colloids Surf. 296 (2007) 109–116.
[8]Liu Y, Li Q, Cao X, Wang Y, Jiang X, Li M, etal.
Removal of uranium (VI) from aqueous solutions
by CMK-3 and its polymer composite. Appl Surf
Sci 2013; 285:258–66.
[9]Sharma P, Tomar R. Synthesis and applica-
tion of ananalogue of mesolite for the removal of
uranium (VI), thorium (IV), and europium (III)
from aqueous waste. Microporous Mesoporous
Mater 2008; 116:641–52.
[10]Abbasizadeh S, Keshtkar AR, Mousavian
MA. Preparation of a novel electrospun polyvi-
nyl alcohol/ titanium oxide nanofiber adsorbent
modified with mercapto groups for uranium (VI)
and thorium (IV) removal from aqueous solu-
tion. Chem Eng J 2013;220:161–71.
Số 66 - áng 03/2021 41
5 trang
18/04/2022
1320
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu quá trình hấp phụ ion Th (IV) trên vật liệu silica mao quản trung bình SBA-15", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_qua_trinh_hap_phu_ion_th_iv_tren_vat_lieu_silica.pdf
