Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong các nghiên cứu gần đây, polyaniline (PANi) kết hợp với các phụ phẩm nông nghiệp như bã chè, vỏ lạc, vỏ trấu,… có khả năng hấp phụ kim loại nặng rất tốt. 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, tác giả lựa 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”. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

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 ANi Anilin Aniline AAS Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Atomic absorption 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. (C0  Ccb ).V q (1.1) m 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: C0  Ccb H .100(%) (1.2) C0 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: K L .C q  qmax . 1  K L .C (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: C C q  qmax .  qmax . C 1 C  (1.5) KL 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) : C 1 C   (1.6) q K L .qmax qmax 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 tan   (1.7) qmax Từ đó xác định được qmax và KL : 1 KL  C (1.8) .qmax  C q . ta có thể xác định tham số cân bằng RL : 1 RL  1  C0 .K L (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 dqt  k1 (qe  qt ) (1.10) dt 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