TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ----------
PHẠM THỊ VÂN
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa lý
HÀ NỘI - 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ----------
PHẠM THỊ VÂN
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Cu2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa lý
Người hướng dẫn khoa học
ThS. Trần Quang Thiện
HÀ NỘI - 2018
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này,em đã nhận được sự giúp
đỡ tận tình của các quý thầy cô, anh chị và bạn bè.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến ThS.Trần Quang Thiện, người thầy đã truyền cho em tri thức
cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người thầy đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành khóa luận này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Hóa học –
Trường ĐHSP Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ, dạy bảo em trong suốt 4
năm học tập tại trường. Cảm ơn anh chị, bạn bè đã luôn bên cạnh, giúp đỡ em
trong suốt thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân đã luôn tin
tưởng, động viên, chia sẻ và hết lòng ủng hộ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô trong Khoa Hóa học –
Trường ĐHSP Hà Nội 2 dồi dào sức khỏe, thành công trong công việc.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Sinh viên
Phạm Thị Vân
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu2+
trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè “ là công trình nghiên cứu của riêng
em dưới sự hướng dẫn của ThS.Trần Quang Thiện, trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2. Các số liệu và kết quả trong đề tài là trung thực, chưa từng
được công bố trên tạp chí nào cho đến thời điểm này ngoài những công trình
của tác giả.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Sinh viên
Phạm Thị Vân
BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
Từ viết tắt Tên tiếng việt Tên tiếng anh
Anilin Aniline ANi
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Atomic absorption AAS
spectroscopy
BC Bã chè
PANi - BC Polyanilin – Bã chè
PPNN Phụ phẩm nông nghiệp
PANi Polyanilin Polyaniline
IR Phổ hồng ngoại Infrared spectroscopy
SEM Hiển vi điện tử quét Scanning electron
microscopy
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 2
3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................... 3
1.1. Bã chè .................................................................................................... 3
1.2 . Polyanilin ( PANi) .................................................................................. 5
1.2.1. Cấu trúc của PANi ................................................................................ 5
1.2.2. Phương pháp tổng hợp .......................................................................... 5
1.2.3. Ứng dụng của PANi ............................................................................. 6
1.3. Quá trình hấp phụ .................................................................................... 7
1.3.1. Các khái niệm ....................................................................................... 7
1.3.2. Dung lượng hấp phụ cân bằng .............................................................. 7
1.3.4. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ................................................... 8
1.3.5. Động học hấp phụ ............................................................................... 11
1.4. Tình hình ô nhiễm môi trường nước ...................................................... 12
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 15
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 15
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị ................................................................... 15
2.2.1. Hóa chất ............................................................................................. 15
2.2.2. Dụng cụ .............................................................................................. 15
2.2.3. Thiết bị ............................................................................................... 16
2.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu ........................................................... 16
2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM ...................................... 16
2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS .......................................... 16
2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR ........................................................ 17
2.4. Thực nghiệm ......................................................................................... 17
2.4.1. Tổng hợp vật liệu................................................................................ 17
2.4.1.1. Xử lý bã chè trước khi tổng hợp ...................................................... 17
2.4.1.2. Tổng hợp vật liệu ............................................................................. 18 2.4.2. Khả năng hấp phụ của các vật liệu đối với ion Cu2+ ............................ 19
2.4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ............................................... 19
2.4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ................................................. 19
2.4.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH ........................................................ 19
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 20
3.1. Tổng hợp vật liệu .................................................................................. 20
3.1.1. Phổ hồng ngoại IR .............................................................................. 20
3.1.2. Kết quả phân tích SEM ...................................................................... 21 3.2. Khả năng hấp phụ ion Cu2+ .................................................................... 22
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 22
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu ........................................................ 23
3.2.3. Ảnh hưởng của pH ............................................................................. 25
3.3. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .................................................. 26
KẾT LUẬN .................................................................................................. 29
KHUYẾN NGHỊ .......................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 31
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC .......................... 20
Bảng 3.2. Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật
liệu PANi – BC. ............................................................................... 27
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc của PANi ......................................................................... 5
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C .............................................. 10
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t ...................................... 12
Hình 3.1. Phổ IR của các vật liệu PANi, BC, PANi - BC ............................. 20
Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu PANi – BC, BC, PANi ........................ 21 Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ cân bằng của Cu2+ và
hiệu suất của quá trình hấp phụ. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L,
pH = 7 ................................................................................................. 22
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ. Nồng độ
ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7............................................................. 23
Hình 3.5. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu2+ đến nồng độ của chất bị
hấp phụ và hiệu suất của quá trình hấp phụ. Thời gian hấp phụ t =
120 phút, pH = 7 .................................................................................. 24
Hình 3.6. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu2+đến dung lượng hấp phụ.
Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7............................................... 24
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất
của quá trình hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7,
nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ............................................................ 25
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ. Thời gian hấp
phụ t = 120 phút, pH = 7, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ................... 26
Hình 3.9. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ
Cu2+ của vật liệu PANi – BC ............................................................... 27 Hình 3.10. Sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ ban đầu của Cu2+ .... 28
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đất nước Việt Nam ngày càng phát triển. Các khu đô thị, các nhà máy,
xí nghiệp được xây dựng ngày càng nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu của con
người. Tuy nhiên song song với việc phát triển kinh tế về xã hội, vấn đề ô
nhiễm môi trường ở nước ta hiện nay đã và đang trở thành vấn đề nóng bỏng
gây nhiều bức xúc cho dư luận và xã hội. Đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường bởi các ion kim loại nặng độc hại như: Cu2+, Mn2+, Pb2+, Fe2+, Fe3+…
ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người và hệ sinh thái.
Trong các nghiên cứu gần đây, polyaniline (PANi) kết hợp với các phụ
phẩm nông nghiệp (PPNN) như bã chè, vỏ lạc, vỏ trấu,… có khả năng hấp
phụ kim loại nặng rất tốt. Ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Thùy Dương (2008) [5] đã nghiên cứu loại bỏ được các ion Cu2+, Cd2+, Mn2+ bằng cách điều chế
vật liệu hấp phụ vỏ lạc biến tính bằng cách xử lý vỏ trấu bằng NaOH để loại
bỏ các pigmen màu và các chất hữu cơ dễ hòa tan, sau đó este hóa bằng axit
xitric. Theo hướng nghiên cứu này, có nhiều công trình nghiên cứu của các
tác giả khác sử dụng bã chè làm vật liệu hấp phụ cho hiệu suất cao. Vì bã chè
có thành phần cấu trúc xốp và thành phần cellulose nên nó có khả năng tách
kim loại nặng hòa tan và màu trong nước. Phương pháp hấp phụ này có nhiều
ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, phù hợp với đặc điểm
kinh tế Việt Nam là một nước nông nghiệp; phương pháp tổng hợp đơn giản
và không đưa thêm vào môi trường tác nhân độc hại.
Với mong muốn xử lý ion kim loại Cu2+ trong nước thải có hiệu quả,
tiết kiệm chi phí đồng thời thân thiện với môi trường, em chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu2+ trên vật liệu hấp thu
tổng hợp từ bã chè”.
1
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Cu2+ và đánh giá khả
năng hấp phụ Cu2 + của vật liệu hấp phụ.
3. Nội dung nghiên cứu
Tổng hợp vật liệu hấp phụ từ bã chè. Đánh giá khả năng hấp phụ ion Cu2+của vật liệu hấp phụ điều chế từ
bã chè.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM.
Phương pháp phổ hồng ngoại IR.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tổng hợp được vật liệu PANi, bã chè, PANi – Bã chè (PANi – BC) với
nguồn nguyên liệu dồi dào để khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ trong nước.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Bã chè
Trong búp chè chủ yếu có thành phần sinh hóa sau:
Nước: trong búp chè nước là thành phần chủ yếu chiếm từ 75 – 82%.
Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhưng chiếm hàm lượng
nhiều nhất là cafein từ 3 – 5% thường nhiều hơn cafein ở trong lá cà phê từ
2-3 lần.
Protein và amino acids: trong chè protein phân bố không đều ở các
thành phần của búp chè và thay đổi tùy theo giống, thời vụ, điều kiện canh tác
và các yếu tố khác. Protein kết hợp với một phần tannin làm cho vị chát và
đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein có lợi cho phẩm
chất chè xanh.
Tannin: còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng
catechin. Nó là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phẩm
chất chè. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tamin chè không giống
nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi.
Glutamic acid và pectin: trong lá chè các gluxit không hòa tan chiếm tỉ
lệ lớn và chứa rất ít gluxit hòa tan. Vì thế lá chè càng non chất lượng càng cao
do cellulose và hemixenlulo giảm khi lá non.
Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố,
carotin và xantofin.
Vitamin: giá trị dinh dưỡng cũng như giá trị dược liệu của chè rất cao
do trong chè có rất nhiều loại vitamin như vitamin A: 56,6; B1: 0,7; B2: 12,2;
C: 27,0 (mg/1000g chất khô) (theo tài liệu của Trung Quốc).
Men: có nhiều loại men trong búp chè non nhưng chủ yếu gồm hai
nhóm chính sau:
3
Nhóm thủy phân: men amilase, glucoxidase, prosthesis và một số
men khác.
Nhóm oxi hóa khử: peroxidase, polyphenoloxidase.
Chất tro: chè khô và chè tươi có hàm lượng tro là khác nhau. Trong chè,
tro chia thành hai nhóm: không hòa tan trong nước và hòa tan trong nước.
Bã chè
Với lượng tiêu thụ chè trên toàn quốc mỗi năm khoảng 130.000 tấn thì
lượng bã chè thải ra trên toàn quốc là rất lớn. Một số lượng lớn bã chè để sản
xuất đồ uống thường bị bỏ đi vào môi trường không qua xử lý, đó không chỉ
là một sự lãng phí về tài nguyên mà còn gây ra vấn đề vệ sinh môi trường
trong quá trình phân hủy.
Theo tác giả Hồ Sĩ Tráng (2006) [16], trong bã chè có các thành phần
chính sau:
Cellulose là polysaccharide cao phân tử do các mắt xích β-glucose
[C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết 1,4- glucozit. Phân tử khối của
cellulose rất lớn khoảng từ 250000 ÷ 1000000 đ.v.C. Trong mỗi phân tử
cellulose có khoảng 1000 ÷ 1500 mắt xích glucose. Trong các xellulose có
sẵn các nhóm chức hydroxyl (-OH), hemixelluloses và cấu trúc ligin được coi
như những nhóm chức tiềm năng cho việc sử dụng bã chè làm vật liệu hấp phụ.
Hemixenlulose là polysaccharide phức hợp còn gọi là copolyme vì trong
mạch đại phân tử tồn tại nhiều loại mắt xích saccarit khác nhau. Khi bị thủy
phân đến cùng, hemixenlulose tạo ra các monosaccharide như hexazo, pentose
cũng như dẫn xuất của metoxyuronic. Ngoài ra còn thu được axit axetic.
Ligin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan C6C3.
Ligin giữ vai trò kết nối giữa cellulose và hemixene. Ligin phần lớn có cấu
tạo không gian do đó không hòa tan trước khi bị phân hủy.
4
Bã chè có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ
vào cấu trúc xốp và thành phần xenlulozo, hemixenlulozo và ligin. Sự kết hợp
giữa cellulose và hemixenlulose được gọi là holoxenlulozo có chứa nhiều
nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro [16]. Vì
vậy tận dụng nguồn phế thải là bã chè để sản xuất composite trên cơ sở PANi
tạo thành vật liệu hấp phụ kim loại nặng sẽ có ý nghĩa khoa học rất lớn, vừa
tận dụng được phế thải vừa giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường.
1.2 . Polyanilin ( PANi)
1.2.1. Cấu trúc của PANi
Trong điều kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác, PANi là sản
phẩm của phản ứng cộng hợp nhiều phân tử anilin (ANi).
Hình 1.1. Cấu trúc của PANi [10]
PANi có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa – khử khác nhau. Tại
mỗi trạng thái oxy – hóa khử có một cấu trúc mạch polyme khác nhau và có
màu sắc cũng khác nhau.
1.2.2. Phương pháp tổng hợp
PANi được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa hoặc phương pháp
hóa học. Mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy
nhiên phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nhưng để sản
xuất với lượng lớn dạng PANi bột thì phương pháp hóa học được sử dụng
nhiều hơn [13].
Tổng hợp bằng phương pháp hóa học
5
Trong phương pháp hóa học, hóa chất thường được sử dụng là amoni
pesunfat (NH4)2S2O8. Amoni pesunfat đóng vai trò làm chất oxy hóa trong
quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa
học có thể tạo ra polyme có khối lượng phân tử lớn và độ dẫn điện tối ưu hơn
so với các chất oxi hóa khác.
Tuy nhiên tổng hợp bằng phương pháp hóa học PANi tạo ra không có
độ đồng nhất cao, cần phải trộn với phụ gia bám dính do nó không bám dính
trực tiếp lên bề mặt kim loại.
Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
Bằng phương pháp điện hóa, người ta có thể tạo ra PANi có tính chất
khác nhau để phù hợp với nhu cầu ứng dụng của người dùng. Đặc biệt
phương pháp này có thể tạo ra màng mỏng PANi có khả năng bám dính tốt
trên bề mặt của các điện cực và ta có thể thay đổi chiều dày của màng tùy
thuộc vào chế độ tổng hợp. Như vậy có thể tạo trực tiếp PANi lên mẫu kim
loại cần bảo vệ, đây chính là ưu điểm của phương pháp điện hóa. Ngoài ưu
điểm này, phương pháp điện hóa còn tạo được sản phẩm có độ tinh khiết cao
và quá trình điện hóa đều xảy ra trên bề mặt điện cực. Tuy nhiên, ở phương
pháp này có một điểm bất lợi về mặt tốc độ polyme hóa, thời gian tạo màng
ứng với thời gian tồn tại điện thế mà tại đó xảy ra phản ứng oxy hóa điện hóa
monome ngắn. Do đó dẫn tới hiệu suất không cao.
1.2.3. Ứng dụng của PANi
PANi có tính điện sắc bởi tại mỗi trạng thái oxy hóa – khử khác nhau
thì PANi lại có màu sắc khác nhau. Nhờ vào tính chất này của PANi mà
người ta ứng dụng nó để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực
[19]: chế tạo tivi có màn hình tinh thể lỏng.
6
Do khả năng bám dính cao, có điện thế dương nên màng PANi có khả
năng chống ăn mòn cao. Vì thế PANi được ứng dụng trong việc bảo vệ kim
loại [2,6,15].
Hơn thế nữa, PANi còn được ứng dụng để lai ghép với PPNN như bã
chè, bã cafe, vỏ trấu,… để hấp phụ các kim loại nặng trong nước. Đây là
phương pháp có tính ưu việt vượt trội và thân thiện với môi trường [21].
1.3. Quá trình hấp phụ
1.3.1. Các khái niệm [3-4,11-12,14]
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha : khí – rắn,
lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng.
Chất hấp phụ là các chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
Chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ.
Các nhà khoa học phân biệt hấp phụ dựa vào bản chất của lực tương tác
giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ được chia thành hai loại: hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1.3.2. Dung lượng hấp phụ cân bằng
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định
về nồng độ và nhiệt độ.
(1.1)
Trong đó:
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
Co: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)
Ccb : nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)
m: khối lượng chất bị hấp phụ (g)
7
V: thể tích chất bị hấp phụ (L)
1.3.3. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng
độ dung dich ban đầu, được tính bởi:
(1.2)
1.3.4. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Theo thời gian, lượng
chất bị hấp phụ di chuyển ngược trở lại pha mang lớn do nó tích tụ được
nhiều trên bề mặt chất rắn. Đến một thời điểm nào đó thì tốc độ giải hấp bằng
tốc độ hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Khi một hệ hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ
là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f(T, P hoặc C) (1.3)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn q = fT (P hoặc C)
được gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt. Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn
sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng
hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định
[3,11-12,14].
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng hay khí
thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng
nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,…
Tùy thuộc vào bản chất của hệ và điều kiện tiến hành quá trình hấp phụ
mà người ta có thể sử dụng các dạng phương trình đẳng nhiệt khác nhau để
mô tả cân bằng hấp phụ như: Frumkin, Temkpin,…
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
8
Phương trình Langmuir được thiết lập với các giả thiết sau [3,11-
12,14]:
Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các
trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu
phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhưng
có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước.
Trong pha lỏng, phương trình có dạng:
(1.4)
Trong đó:
KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir.
q: dung lượng hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ).
qmax: dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lượng chất bị hấp
phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ).
C: nồng độ dung dịch hấp phụ.
Phương trình (1.4) có thể viết dưới dạng:
(1.5)
Để xác định các hệ số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
người ta chuyển phương trình (1.5) về dạng (1.6) :
(1.6)
9
C/q (g/L) (mg/l)
α
M
0
C (mg/L)
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1]
Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ được đồ thị sự phụ thuộc của C/q theo C.
Đường biểu diễn có độ dốc là :
(1.7)
Từ đó xác định được qmax và KL :
. ta có thể xác định tham số cân bằng RL :
(1.8)
(1.9)
Trong đó: RL : tham số cân bằng.
C0: nồng độ ban đầu (mg/L).
KL: hằng số Langmuir (L/mg).
10
Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và
mối tương quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp thông qua hằng số
Langmuir KL. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ
hấp phụ.
1.3.5. Động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo các giai
đoạn kế tiếp [3]:
Giai đoạn thứ nhất, chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp
phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch.
Tiếp theo, phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề ngoài của chất
hấp phụ chứa hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch tán màng.
Sau đó, chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất
hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ. Đây
chính là giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn trên, giai đoạn
có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình
động học hấp phụ. Quá trình khuếch tán đóng vai trò quyết định với hệ hấp
phụ trong môi trường nước. Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác định
bởi sự thay đổi nồng độ của chất bị hấp phụ theo thời gian.
Mô hình động học hấp phụ bậc 1 [22-23]
Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ thuộc bậc nhất vào
dung lượng hấp phụ
(1.10)
Trong đó:
qe : dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qt : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g).
k1 : hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1
11
lg(qe – qt) (mg/l)
α
M
0
t
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t
Tại thời điểm t = 0 áp dụng điều kiện biên: q0 = 0, t = t, qt = qt, phương trình
(1.10) trở thành:
(1.11)
Phương trình (1.11) có dạng tuyến tính bậc nhất. Từ phương trình xác định
được qe và hằng số:
(1.12)
1.4. Tình hình ô nhiễm môi trường nước
Trên thế giới: Ô nhiễm môi trường nước do kim loại nặng gây ra đang
là vấn đề cấp thiết, là mối nguy hại lớn cho con người và hệ sinh thái. Lịch sử
đã ghi nhận lại những tác hại về ô nhiễm kim loại nặng mà con người phải
gánh chịu. Cho đến ngày 30/4/1997, số người trong hai tỉnh Kumamoto và
Kagoshima mắc bệnh Minamata lên tới 17 ngàn người. Nguyên nhân là do
nguồn nước của họ và thủy sản bị nhiễm thủy ngân hữu cơ (metyl thủy ngân)
12
do nhà máy hóa chất Chisso thải ra. Theo tờ China Youth Daily (Trung Quốc)
đưa tin, đã có ít nhất 26 người thiệt mạng và hàng trăm người nhiễm bệnh do nhiễm Cadmium.Tại Anh, hàm lượng Cd2+ tại các cửa sông bị ô nhiễm rất cao
là 10µg/g.
Ở Việt Nam: Song song với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa là
các khu công ngiệp, khu chế xuất, khu đô thị mọc lên san sát làm cho môi
trường nước bị ô nhiễm nghiêm trọng. Đặc biệt vấn đề ô nhiễm kim loại nặng
đang là một trong những vấn đề nan giải. Nồng độ các kim loại nặng độc hại
trong nước ô nhiễm của các kênh rạch vượt quá giá trị cho phép so với nước
sông rạch không ô nhiễm tăng từ 16 đến 700 lần đối với khu vực miền Nam.
Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải ở các khu công nghiệp luyện kim,
mạ điện, sơn,… rất cao. Nghiên cứu ở khu vực công ty Pin Văn Điển cho thấy
hàm lượng thủy ngân vượt quá mức cho phép 9,04 lần.
Xử lý môi trường bằng bã chè
Có nhiều phương pháp loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nước như
phương pháp vật lý, sinh học, hóa học,… trong đó hấp phụ là phương pháp
được nhiều nhà khoa học lựa chọn vì có nhiều ưu điểm vượt trội. Họ đã sử
dụng các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ lạc, vỏ trấu, bã chè,… để tạo ra vật
liệu compozit có khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt.
Tác giả Huimei Cai và cộng sự (2014) [18] đã khảo sát được sự kết hợp
giữa bã trà và nhôm hoặc bã trà với nhôm và sắt để khử Fluoride trong nước
uống đạt tiêu chuẩn cho phép của Tổ chức y tế thế giới (WHO). Ngoài ra với mục đích tách loại các ion Cu2+ và Cd2+ trong dung dịch nước, các tác giả
Dwivedi và Rajput [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion này bằng vật
liệu bã trà.
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè vẫn là
vấn đề khá mới mẻ, chỉ có nghiên cứu của một số nhóm tác giả. Trong đó, tác
13
giả Đỗ Trà Hương và Trần Thúy Nga (2014) [8] đã nghiên cứu hấp phụ màu
xanh metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan. Nghiên cứu của Đỗ
Trà Hương và Dương Thị Tú Anh (2014) [7] đã chế tạo thành công vật liệu
hấp phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè.
14
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu hấp phụ Ion kim loại nặng: Cu2+
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ:
nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ, thời gian hấp phụ, môi trường pH.
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị
2.2.1. Hóa chất
Aniline 99,99%, d = 1,023 g/mL, Merk – Đức.
Amoni pesunfat dạng tinh thể rắn, Merk – Đức .
Dung dịch HCl 36,5%, Trung Quốc.
Dung dịch H2SO4 98%, Trung Quốc.
CuSO4.5H2O 99,99% tinh thể, Trung Quốc.
Bã chè.
Axeton, Trung Quốc.
Metanol, Trung Quốc.
NaOH dạng tinh thể rắn, Trung Quốc
2.2.2. Dụng cụ
Cốc thủy tinh 250 mL.
Bình tam giác 250 mL.
Bình định mức 1000 mL,500 mL,100 mL.
Phễu thủy tinh, giấy lọc.
Pipet có vạch chia.
Rây.
15
2.2.3. Thiết bị
Máy khuấy từ IKA (Đức).
Tủ sấy Shellab (Mỹ).
Cân phân tích PA214 (Mỹ).
Thiết bị đo hấp phụ nguyên tử AAS Thermo Anh (Viện Kĩ thuật
Nhiệt đới).
Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét SEM (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).
Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).
2.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu
2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM [24] sẽ phóng đại đến
hàng chục vạn lần ảnh chụp bề mặt các đối tượng nghiên cứu cực nhỏ giúp
chúng ta quan sát và đánh giá cấu trúc của nó.
Nguyên tắc hoạt động của phương pháp SEM: bề mặt mẫu sẽ được quét
đi quét lại bởi một chùm điện tử hẹp, sự tương tác giữa điện tử với mẫu đo sẽ
phát ra các bức xạ thứ cấp. Những bức xạ này sẽ được thu nhận và chuyển đổi
thành hình ảnh.
Trong nghiên cứu vật liệu composite PANi – BC, phương pháp SEM
xác định được hình thái và kích thước của vật liệu nghiên cứu.
2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS [9] là phương pháp dùng để
xác định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch vào định luật Bughe –
Lambe – Bia theo phương trình:
Aχ = k. C. L
Trong đó: Aχ : Cường độ vạch phổ hấp thụ.
C : Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
L : Chiều dài môi trường hấp phụ.
k : Hằng số thực nghiệm.
16
Người ta có thể xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố cần xác
định trong thể tích mẫu dựa vào giá trị mật độ quang. Mật độ quang của lớp
hấp thụ tỉ lệ thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bước sóng hấp
thụ ứng với nguyên tố đó.
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử được sử dụng để xác định hàm
lượng của các kim loại trước và sau khi hấp thụ.
2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
Phương pháp phổ hồng ngoại giúp chúng ta phân tích được cấu trúc
phân tử. Để xác định sự tồn tại của các nhóm liên kết trong phân tử, các nhà
khoa học dựa theo tần số cường độ.
Phân tích phổ hồng ngoại IR [17] giúp chúng ta xác định được cường
độ, vị trí và hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại được thể hiện dưới dạng
đường cong sự phụ thuộc của phần tră truyền qua vào số sóng
Phương pháp phổ hồng ngoại IR được ứng dụng để xác định cấu trúc
của vật liệu đã được tổng hợp thông qua sự tồn tại cảu nhóm chức.
2.4. Thực nghiệm
2.4.1. Tổng hợp vật liệu
2.4.1.1. Xử lý bã chè trước khi tổng hợp
Trước khi tổng hợp, bã chè được xử lý qua các bước sau: Bước 1: Bã chè thu thập được ngâm trong nước ở nhiệt độ 800C trong
thời gian 30 phút. Tiến hành nhiều lần cho đến khi nước ngâm không còn màu
của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nước.
Bước 2: Sau khi ngâm, bã chè được được đem sấy ở nhiệt độ 1100C
trong thời gian 2 giờ để loại bỏ nước.
Bước 3: Dùng rây rây đi rây lại nhiều lần thu được bã chè nhỏ hơn. Bã
chè có kích thước to được đem nghiền lại và tiếp tục đem rây đến khi thu
được bã chè kích thước nhỏ.
17
Bước 4: Bã chè thu được đem ngâm với Ethanol trong khoảng thời gian 2 giờ. Sau đó đem lọc và cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 1000C trong thời gian
6 giờ. Lấy bã chè ra và tiếp tục ngâm với dung dịch HCl loãng trong thời gian
2 giờ và rửa lại với NaOH 0,1M đến khi pH của vật liệu bằng 7.
Bước 5: Đem bã chè thu được sấy ở 1000C trong 6 giờ, ta thu được vật
liệu biến tính.
2.4.1.2. Tổng hợp vật liệu
Đầu tiên, pha các dung dịch:
Pha dung dịch (NH4)2S2O8 0,5 M – dung dịch D1
Pha dung dịch ANi 0,25M, H2SO4 0,1 M – dung dịch D2
Sau đó, tổng hợp vật liệu:
PANi
Bước 1: Lấy 500 mL dung dich D2 cho vào cốc có dung tích 1000 mL
và đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Nhỏ từ từ cho đến hết 200 mL dung
dịch D1 vào cốc trong điều kiện đang khuấy trộn. Sau 15 phút, dung dịch
trong cốc ban đầu xuất hiện màu xanh rồi chuyển dần sang màu đen do
polyaniline hình thành. Tiếp tục khuấy trộn trong thời gian 6 giờ.
Bước 2: Sản phẩm thu được đem lọc và rửa bằng dung dịch axeton:
metanol tỉ lệ 1:1 để loại bỏ ANi còn dư trong sản phẩm. Tiếp theo đem sấy khô ở nhiệt độ 600C từ 2- 4 giờ. Sau đó lấy sản phẩm đem đựng và bảo quản.
PANi – Bã chè
Bước 1: Lấy 500 mL dung dịch D2 cho vào cốc thủy tinh dung tích
1000 mL.
Bước 2: Cân 50 gam bã chè cho vào cốc đựng dung dịch trên. Sau đó
nhỏ từ từ cho đến hết 200 mL dung dịch D1 vào cốc trong điều kiện đang
khuấy trộn trong 15 phút. Tiếp tục khuấy trộn trong thời gian 6 giờ.
18
Bước 3: Sản phẩm thu được đem lọc và rửa bằng dung dịch axeton:
metanol tỉ lệ 1:1 để loại bỏ ANi còn dư trong sản phẩm. Tiếp theo đem sấy khô ở nhiệt độ 600C từ 2- 4 giờ. Sau đó lấy sản phẩm đem đựng và bảo quản. 2.4.2. Khả năng hấp phụ của các vật liệu đối với ion Cu2+
2.4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian
Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian, lấy 10 mL dung dịch Cu2+
nồng độ là C0 = 20 mg/L,khối lượng của vật liệu là m = 0,5g cho vào cốc thủy
tinh 100 mL. Môi trường pH = 7. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời
gian khuấy t= 30, 60, 90, 120, 150, 180, 300 phút.
Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
2.4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ, lấy 10 mL dung dịch Cu2+ với
hàm lượng ban đầu C0 = 10, 20, 30, 40, 50 mg/L, khối lượng của vật liệu là m
= 0,5g cho vào cốc thủy tinh 100 mL. Môi trường pH = 7. Tiến hành khuấy
trên máy khuấy từ, thời gian hấp khuấy t = 120 phút.
Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
2.4.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH
Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH, lấy 10 mL dung dịch Cu2+ với hàm
lượng ban đầu C0 = 20 mg/L, khối lượng của vật liệu là m = 0,5g cho vào cốc
thủy tinh 100 mL. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ, thời gian hấp khuấy t
= 120 phút. Thay đổi môi trường pH = 3,5,7.
Lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
Các thí nghiệm được tiến hành trên máy khuấy từ với tốc độ khuấy 100
vòng/phút. Sau đó lọc dung dịch đi đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
19
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp vật liệu
3.1.1. Phổ hồng ngoại IR
Kết quả phân tích IR của các mẫu BC, PANi, PANi – BC được giới
thiệu trên hình 3.1 và bảng 3.1.
Hình 3.1. Phổ IR của các vật liệu PANi, BC, PANi - BC
Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC
Số sóng (cm-1) Liên
kết C-N C-H
C-H C-O vòng -N=quinoid=N- C=C vòng N-H
thơm thơm Mẫu
PANi 804,1 1048,68 1167,21 1260,35 1361 2915,1 3455,1 -BC
1014,82 1150,28 1218,02 1369,5 2923,6 3446,6 BC
PANi 778,2 1184,15 1293,27 1386,4 2915,1 3463,5
20
Từ bảng 3.1 ta thấy xuất hiện các nhóm chức đặc trưng: C-H, C-N vòng
thơm, -N=quinoid=N-, C=C, C-H vòng thơm, N-H trong PANi là những
nhóm chức đặc trưng trong phân tử PANi. Kết quả này cho thấy sự hình thành
PANi trong vật liệu PANi – BC.
3.1.2. Kết quả phân tích SEM
Kết quả phân tích SEM cho các vật liệu PANi, BC, PANi – BC được
thể hiện trong hình 3.2.
PANi - BC
BC PANi
Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu PANi – BC, BC, PANi
Kết quả phân tích cho thấy các vật liệu BC, PANi, PANi - BC có kích
thước nhỏ, cỡ µm, có cấu trúc dạng lớp. Qua hình ta thấy vật liệu BC có cấu
trúc lớp tương đối sát với nhau. Vật liệu PANi có cấu trúc dạng xốp. Tuy
21
nhiên , trong vật liệu PANi – BC do có sự có mặt của PANi nên nó có cấu
trúc xốp hơn PANi. 3.2. Khả năng hấp phụ ion Cu2+
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Sự phụ thuộc của nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất của quá trình
hấp phụ vào thời gian của các vật liệu: BC, PANi, PANi – BC được thể hiện
trên hình 3.3.
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ cân bằng của Cu2+ và hiệu
Thông qua hình 3.3 ta thấy khi thời gian hấp phụ tăng lên thì hiệu suất
suất của quá trình hấp phụ. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7
của quá trình hấp phụ tăng và nồng độ chất bị hấp phụ giảm dần. Trong thời
gian từ 0 120 phút:
Đối với PANi – BC: hiệu suất hấp phụ tăng mạnh nhất, từ 20,45
60,55%, nồng độ giảm từ 15,11 8,89 mg/L.
Đối với PANi: hiệu suất hấp phụ tăng từ 17,33 11,1%, nồng độ
giảm từ 16,12 9,22 mg/L.
Đối với BC: hiệu suất hấp phụ tăng từ 19,4 53,9%, nồng độ giảm từ
16,12 9,22 mg/L.
Trong khoảng thời gian từ 120 300 phút, hiệu suất hấp phụ tăng
nhưng không đáng kể và nồng độ chất bị hấp phụ giảm nhưng không đáng kể.
22
Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian được thể hiện trên
hình 3.4.
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ. Nồng độ ban
đầu Co = 20 mg/L, pH = 7
Qua hình 3.4 ta thấy khả năng hấp phụ tăng dần khi thời gian hấp phụ
tăng lên tương ứng và được thể hiện thông qua dung lượng hấp phụ.
Cụ thể, PANi có dung lượng hấp phụ là nhỏ nhất trong thời gian hấp
phụ tương ứng là từ 0,0534 → 0,1782 mg/g, tiếp đến là bã chè có dung lượng
hấp phụ cao hơn từ 0,0776 → 0,2101 mg/g và cao nhất là hợp chất PANi –
BC có dung lượng hấp phụ từ 0,0978 → 0,2423mg/g.
Thời gian hấp phụ tăng lên trong khoảng thời gian từ 0 → 120 phút và
thời gian từ 120 → 300 phút thì dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ có tăng nhưng thay đổi không đáng kể. Điều đó chứng tỏ quá trình hấp phụ Cu2+
bằng vật liệu composite đã đạt đến trạng thái cân bằng. Vậy thời gian đạt cân
bằng hấp phụ của quá trình là t = 120 phút.
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu
Sự phụ thuộc của nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất của quá trình
hấp phụ vào nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ được thể hiện trên hình 3.5.
23
Hình 3.5. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu2+ đến nồng độ của chất bị hấp
phụ và hiệu suất của quá trình hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7
Qua hình ta thấy khi tăng nồng độ ban đầu thì nồng độ cân bằng của
chất bị hấp phụ tăng và hiệu suất của quá trình hấp phụ giảm.Trong khoảng
nồng độ ban đầu khảo sát, PANi – BC có hiệu suất giảm từ 59,8% → 50,18%,
PANi có hiệu suất giảm từ 49,7% → 48,76%, BC có hiệu suất giảm từ 39,6%
→ 38,03%.
Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Cu2+
được thể hiện qua hình 3.6.
Hình 3.6. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu2+đến dung lượng hấp phụ.
Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7
24
Từ kết quả khảo sát trên ta thấy: trong khoảng nồng độ được nghiên cứu khảo sát khi tăng nồng độ Cu2+ ban đầu thì dung lượng hấp phụ tăng lên
nhưng hiệu suất hấp phụ của quá trình giảm xuống.
Ở nồng độ C0 = 20 mg/L thì hiệu suất hấp phụ của các vật liệu là cao
nhất nên nồng độ ban đầu tối ưu là C0 = 20 mg/L.
3.2.3. Ảnh hưởng của pH
Sự phụ thuộc của nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất của quá trình
hấp phụ vào pH được thể hiện qua hình 3.7.
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất của
quá trình hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút,nồng độ ban đầu C0 = 20
mg/L
Qua hình ta thấy khi thay đổi pH của môi trường dung dịch hấp phụ: ở 5, sự hấp phụ ion Cu2+ của các vật liệu tăng lên nhanh trong đó pH = 1
PANi – BC đạt hiệu suất hấp phụ H = 75,2% (ở pH = 5), thấp hơn là PANi có
H = 74,1%, BC có H = 69,45%.
Khi pH = 5 7, khả năng hấp phụ của các vật liệu giảm dần. Hiệu
suất của PANi – BC giảm nhanh từ 75,2 60,55%, hiệu suất của PANi giảm
từ 74,1 44,5%, hiệu suất của BC giảm từ 69,45 53,9%.
Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH được thể hiện qua hình 3.8.
25
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ. Thời gian hấp phụ
t = 120 phút,nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L
Qua hình ta thấy pH càng tăng thì dung lượng hấp phụ càng giảm và
hiệu suất hấp phụ giảm. Ở pH = 5: PANi – BC đạt Hmax = 75,2%, q = 0,298;
PANi đạt Hmax = 74,1%, q = 0,2864, BC đạt Hmax = 69,45%, q = 0,2778.
Do đó pH tối ưu cho quá trình hấp phụ là 5.
Qua quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ, nồng độ
và pH thì rút ra kết luận sau: ở điều kiện t = 120 phút, nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 5 là phù hợp để thực hiện hấp phụ Cu2+ trên
vật liệu PANi – BC.
3.3. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Thực hiện nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir đối với
PANi – BC
Sự phụ thuộc của C/q vào C đối với vật liệu PANi – BC được thể hiện
trên hình 3.9.
26
Hình 3.9. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ Cu2+
của vật liệu PANi – BC
Qua hình 3.9 ta thấy hấp phụ Cu2+ bằng vật liệu PANi – BC tuân theo
mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với các thông số tính toán được phù
hợp với mô hình: qmax = 1,245 mg/g và KL = 0,027 L/mg. Từ đây ta cũng có
kết quả về mối quan hệ giữa C0 và KL được thể hiện trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật
liệu PANi – BC.
PANi – BC
C0 (mg/L) RL KL (L/mg)
10 0,791
20 0,631
0,027 30 0,575
40 0,455
50 0,425
Sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ ban đầu của Cu2+ được thể
hiện qua hình 3.10.
27
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ ban đầu của Cu2+
Từ bảng 3.2 và hình 3.10 ta thấy sự phụ thuộc của C/q vào C đối với vật
liệu PANi – BC cũng tuân thủ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, thể
50 mg/L, hiện bằng các giá trị thông số phù hợp với mô hình: C0 = 10
qmax = 1,245 mg/g, phương trình phụ thuộc:
y = 0,803.x + 29,374, R2 = 0,979 và KL = 0,027 L/mg, RL =0,791
0,425 giảm tương ứng với các giá trị của C0.
28
KẾT LUẬN
Qua kết quả thực nghiệm, có thể rút ra một số kết luận sau:
Đã tổng hợp thành công vật liệu Bã chè, PANi, PANi – BC bằng
phương pháp hóa học với sự có mặt của chất oxi hóa amonipesunfat.
Khi nghiên cứu về khả năng hấp phụ của các vật liệu tổng hợp bởi
ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, nồng độ và pH thì rút ra kết luận sau: ở
điều kiện t = 120 phút, nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH =5 là phù hợp để thực hiện hấp phụ Cu2+ trên vật liệu PANi – BC.
Qua quá trình nghiên cứu ta thấy sự phụ thuộc của C/q vào C cho thấy hấp phụ Cu2+ trên vật liệu PANi – BC cũng tuân thủ theo mô hình hấp
phụ đẳng nhiệt Langmuir với phương trình phụ thuộc y = 0,803.x + 29,374 , R2 = 0,979 với qmax = 1,245 mg/g và KL = 0,027 L/mg.
29
KHUYẾN NGHỊ
Do thời gian nghên cứu còn có hạn nên còn nhiều vấn đề em chưa thực
hiện được: nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng vật liệu, nghiên cứu ảnh
hưởng của tốc độ khuấy trộn và khảo sát khả năng hấp phụ của một số vật liệu
composite trên mẫu thực.
Nếu có điều kiện em mong muốn được tiếp tục phát triển theo hướng
nghiên cứu này.
30
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập Hóa lý, NXB Đại học Quốc
gia, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Việt Bắc, Chu Chiến Hữu, Bùi Hồng Thỏa, Phạm Minh Tuấn
(2005), Polyanilin: Một số tính chất và ứng dụng, Tạp chí khoa học và
công nghệ.
[3]. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lý nước
thải, NXB Thống kê, Hà Nội.
[4]. Đặng Kim Chi (2006), Hóa học môi trường, NXB Khoa học và Kỹ thuật
Hà Nội, Hà Nội.
[5]. Nguyễn Thùy Dương (2008), Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion
kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc và thăm dò xử lý
môi trường, Luận văn Thạc sĩ Hóa học – Đại học Sư phạm Thái Nguyên.
[6]. Nguyễn Thị Lê Hiền (2006), Bảo vệ kim loại chống ăn mòn bằng vật
liệu polyme dẫn điện cấu trúc nano, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới.
[7]. Đỗ Trà Hương, Dương Thị Tú Anh (2014), Chế tạo vật liệu hấp phụ oxit
từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và
Sinh học.
[8]. Đỗ Trà Hương, Trần Thị Thúy Nga (2014), Nghiên cứu hấp phụ màu
metyl xanh bằng vật liệu bã chè, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học.
[9]. Phạm Luận (2003), Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học
Quốc gia, Hà Nội.
[10]. Bùi Hải Ninh (2008), Nghiên cứu ảnh hưởng của polyaniline đến cấu
trúc PbO2, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Đại học Quốc gia Hà Nội.
[11]. Trần Văn Nhân (1998-Chủ biên), Hóa lý (tập II), NXB Giáo dục, Hà Nội.
[12]. Trần Văn Nhân (2004), Hóa keo, NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội.
31
[13]. Phạm Thị Tốt (2014), Nghiên cứu ảnh hưởng của polyaniline đến tính
chất quang điện hóa của titan dioxit, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Đại
học Quốc gia Hà Nội.
[14]. Nguyễn Thị Thu (2002), Hóa keo, NXB Sư phạm, Hà Nội.
[15]. Phạm Thị Thanh Thủy (2007), Ứng dụng polyanilin để bảo vệ sườn cực
chì trong acquy, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Đại học Sư phạm Hà Nội.
[16]. Hồ Sĩ Tráng (2006), Cơ sở hóa học gốc và xenluloza, NXB Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội.
[17]. Nguyễn Đình Triệu (2001), Các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý
tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
[18]. Cai, H.Chen, Peng (2015), Removal of fluoride from drinking water
using tea waste loaded with Al/Fe oxides
[19]. D.D Brole, R.U Kapadi, P.P Kumbhar, G.D Hundiwale (2002),
Infloence of inorganic and organic supporting electrolytes on the
electrochemical synthesis of polyaniline, poly (o- toluidien) and their
copolymer thin films.
[20]. Dwivedi and Rajput (1970), Studies on adsorptive removal of heavy
metal (Cu, Cd) from aqueous soluttion by tea waste adsorbent.
[21]. Reza Ansari (2006), Application of polyaniline and its composites for
adsorption/ recovery of chromium (VI) from aqueous solutions, Acta Chim.
[22]. Y.S.Ho, C.C.Wang (2004), Pseudo- iso therms for the sorption of
cadmium ion onto tree fern, Process Biochemistry.
[23]. Y.S.Ho, G.McKay (1998), Sorption of dye from aqueous solution by
peat, Chem.Eng.
Trang web
[24]. https://ims.ac.vn/.
32
