Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

Chia sẻ: Huyền Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bã chè là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lượng hàng năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, tác giả lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ trên vật liệu hấp thu chế tạo từ bã chè”.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== HOÀNG THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Pb2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa lý Hà Nội, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== HOÀNG THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Pb2+ TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa lý Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. TRẦN QUANG THIỆN Hà Nội, 2018
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới ThS. Trần Quang Thiện - giảng viên khoa Hóa Học, trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã giao đề tài và tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu để em có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa Học – Trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, ngƣời thân đã động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày….. tháng….. năm 2018 Sinh viên Hoàng Thị Thúy i
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè “ là công trình nghiên cứu của riêng em dƣới sự hƣớng dẫn của ThS.Trần Quang Thiện, trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2. Các số liệu và kết quả trong đề tài là trung thực, chƣa từng đƣợc 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 Hoàng Thị Thúy ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................ii MỤC LỤC..................................................................................................................................... iii DANH MỤC VIẾT TẮT ......................................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục tiêu chọn nghiên cứu ............................................................................. 2 3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 3 1.1. Bã chè ......................................................................................................... 3 1.1.1. Tổng quan về chè .................................................................................... 3 1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè ........................................................ 3 1.2. Polyanilin (PANi)....................................................................................... 5 1.3. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng .............................................................. 6 1.4. Hấp phụ ...................................................................................................... 7 1.4.1. Khái niệm ................................................................................................ 7 1.4.2. Dung lƣợng hấp phụ ................................................................................ 7 1.4.3. Hiệu suất hấp phụ .................................................................................... 8 1.4.4. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt ............................................................ 8 1.4.5. Động học hấp phụ ................................................................................. 10 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 13 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................... 13 2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị ..................................................................... 13 iii
2.2.1. Hóa chất................................................................................................. 13 2.2.2. Dụng cụ ................................................................................................. 13 2.2.3. Thiết bị .................................................................................................. 13 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................... 14 2.3.1. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM ................................................ 14 2.3.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................... 14 2.3.3. Phƣơng pháp hấp thụ nguyên tử AAS .................................................. 14 2.4. Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 15 2.4.1. Xử lý bã chè trƣớc tổng hợp ................................................................. 15 2.4.2. Tổng hợp vật liệu .................................................................................. 15 2.4.3. Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb2+ ................ 16 2.3.3.1. Ảnh hƣởng của thời gian .................................................................... 16 2.4.3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ion Pb2+................................................... 17 2.3.3.3. Ảnh hƣởng của pH ............................................................................. 17 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 18 3.1. Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 18 3.1.1. Phổ hồng ngoại IR................................................................................. 18 3.1.2. Kết quả phân tích SEM ......................................................................... 19 3.2. Khả năng xử lý ion Pb2+ ........................................................................... 19 3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian ....................................................................... 19 3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ chất bị hấp phụ .............................................. 21 3.2.3. Ảnh hƣởng của pH ................................................................................ 23 3.3. Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................ 24 KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 26 KHUYẾN NGHỊ ...................................................................................................................... 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 28 iv
DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh AAS Phƣơng pháp phổ hấp Atomic Absorption phụ nguyên tử Spectronphotometric IR Phổ hồng ngoại Infrared spectroscopy SEM Kính hiển vi điện tử Scanning electron quét microscopy PANi Polyanilin Polyaniline ANi Anilin Aniline BC Bã chè PPNN Phụ phẩm nông nghiệp VLHP Vật liệu hấp phụ v
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC. .......................... 18 Bảng 3.2. Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật liệu PANi – BC ............................................................................................... 25 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc PANi ....................................................................................................... 5 Hình 1.2. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................ 9 Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C ............................................................... 9 Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t ................................................. 12 Hình 3.1. Phổ IR của các mẫu PANi, BC, PANi – BC............................................ 18 Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu BC, PANi, PANi – BC. ............................... 19 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian đến nồng độ dung dịch(a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ theo thời gian đối với các vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7..................................................................................................... 20 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian đến dung lƣợng hấp phụ ion Pb2+ đối với các vật liệu. Nồng ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7 ...................................................... 21 Hình 3.5. Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến nồng độ của chất bị hấp phụ (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b). Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7.................................................................................................................. 22 Hình 3.6. Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến dung lƣợng hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7 ....................................................... 22 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của pH đến nồng độ dung dịch (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ trên các vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, t = 120 phút.................................................................................................................................... 23 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ...................................................................... 23 Hình 3.9. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu PANi – BC ............................................................................................... 24 Hình 3.10. Sự phụ thuộc tham số RL vào nồng độ ban đầu của Pb2+ ................. 25 vii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, thế giới đang rung lên hồi chuông báo động về thực trạng ô nhiễm môi trƣờng toàn cầu. Nằm trong bối cảnh chung của thế giới, môi trƣờng Việt Nam cũng đang xuống cấp một cách cục bộ. Nƣớc là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhƣng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nguyên nhân chính là do nguồn nƣớc thải của các khu công nghiệp, khu chế xuất,….chứa rất nhiều ion các kim loại nặng nhƣ Pb2+, Mn2+, Cu2+,…. khi đƣa ra ngoài môi trƣờng hầu hết chƣa đƣợc xử lý hoặc xử lý sơ bộ. Vấn đề đó đã và đang làm ảnh hƣởng không chỉ đến hệ sinh thái mà còn đe dọa đến sức khỏe con ngƣời. Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc đang trở thành vấn đề đƣợc quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc nhƣ: phƣơng pháp hóa lý, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa học,…. Trong đó phƣơng pháp hấp phụ – sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên nhƣ vỏ trấu, vỏ lạc, bã mía, lõi ngô,.… để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nƣớc đang đƣợc áp dụng rộng rãi và cho kết quả khả thi. Phƣơng pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ƣu việt so với các phƣơng pháp xử lý khác nhƣ giá thành xử lý không cao, tách loại đƣợc đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại. Bã chè là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lƣợng hàng năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, em tập trung nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ trên vật liệu hấp thu chế tạo từ bã chè”. 1
2. Mục tiêu chọn nghiên cứu Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ và đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu hấp phụ. 3. Nội dung nghiên cứu Điều chế vật liệu hấp phụ từ bã chè. Đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+ của VLHT điều chế từ bã chè. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp phân tích số liệu. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét SEM. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Điều chế đƣợc VLHP từ bã chè để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trƣờng. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Bã chè 1.1.1. Tổng quan về chè Chè có tên khoa học là Camellia sinensis là một loại cây công nghiệp lâu năm có đời sống kinh tế lâu dài mà mau cho sản phẩm, hiệu quả kinh tế cao và ổn định. Ở Việt Nam cây chè đƣợc trồng tập trung chủ yếu ở: Tây Bắc, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Hòa Bình, Trung du và miền núi Bắc Bộ,…[21]. Chè tại Việt Nam đƣợc sản xuất chủ yếu trên quy mô thƣơng mại và công nghiệp, có khoảng 174.900 tấn chè đƣợc sản xuất mỗi năm. Với sản lƣợng và sự tiêu thụ lớn nhƣ vậy thì bã chè thu đƣợc là rất lớn. Do đó, việc sử dụng bã chè để chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này [22]. 1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè Thành phần sinh hóa của chè biến động rất phức tạp nó phụ thuộc vào giống, tuổi chè, điều kiện đất đai, địa hình, kỹ thuật canh tác, mùa thu hoạch,…. Thành phần sinh hóa chủ yếu trong búp chè gồm có [23]: Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè. Trong búp chè hàm lƣợng nƣớc thƣờng có từ 75 – 82%. Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phầm chất chè. Tanin còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng cactechin. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tanin chè không giống nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi. Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhƣng nhiều nhất là cafein. Protein và axit amin: protein là hợp chất hữu cơ phức tạp chứa N, phân bố không đều ở các 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 thành phần tanin làm cho vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein 3
có lợi cho phẩm chất chè xanh. Ngày nay ngƣời ta đã tìm thấy trong chè có 17 axit amin, các axit amin này kết hợp với đƣơng và tanin tạo thành andehit có mùi thơm của chè đen và làm cho chè xanh khác nhau. Gluxit và pectin: trong lá chè chứa rất ít gluxit hòa tan, trong khi đó các gluxit không hòa tan lại chiếm tỷ lệ lớn.Cellulose and hemixenlulo cũng tăng lên theo tuổi của lá, vì vậy nguyên liệu càng già chất lƣợng càng kém. Hàm lƣợng đƣờng hòa tan ở trong chè tuy ít nhƣng rất quan trọng đối với hƣơng vị chè. Đƣờng tác dụng với protein hoặc axit amin tạo nên các chất thơm. Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố, carotin và xantofin. Các sắc tố này biến động theo giống, theo mùa và các biện pháp kỹ thuật canh tác. Vitamin: các loại vitamin có trong chè rất nhiều. Chính vì vậy giá trị dƣợc liệu cũng nhƣ giá trị dinh dƣỡng của chè rất cao. Theo các tài liệu của Trung Quốc, hàm lƣợng một số vitamin trong chè tính theo mg/L gam chất khô nhƣ sau: vitamin A: 54,5; B1: 0,70; B2:12,2; PP: 47,0; C:27,0 v.v… Men: trong búp chè non có hầu hết các loại men, nhƣng chủ yếu gồm hai nhóm chính: - Nhóm thủy phân: men amilase, glucosidase, proteasevà một số men khác. - Nhóm oxi hóa khử: peroxidase and polyphenoloxidase. Chất tro: hàm lƣợng tro trong chè tƣơi từ 4 – 5 % và trong chè khô từ 5 – 6%. Trong chè, tro chia thành hai nhóm: hòa tan trong nƣớc và không hòa tan trong nƣớc. Bã chè là vật liệu lignoxenylulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nƣớc nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose. Các nhóm hydroxy trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không mạnh [10]. Nhiều biện pháp biến tính đã đƣợc công bố nhƣ oxy hóa 4
các nhóm hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng axit sunfuric. Vì vậy bã chè là một tiềm năng rất lớn để chúng ta có thể tận dụng, tái chế đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội và còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con ngƣời, môi trƣờng. 1.2. Polianilin (PANi) PANi là một chuỗi dài gồm các phân tử anilin liên kết với nhau, tùy vào điều kiện tổng hợp mà PANi có cấu trúc và màu sắc thay đổi theo: Hình 1.1. Cấu trúc PANi [ 9] a, b = 0, 1, 2, 3,…. - Với a = 0: Pernigranilin (màu xanh thẫm) - Với b = 0: Leucoemeraldin (màu vàng) - Với a = b = 1: Emeraldin (màu xanh) PANi có các tính chất sau: - Tính dẫn điện tốt đặc biệt khi nó tạo muối với các axit tạo thành dạng emeraldin. - Tính điện sắc [11]: màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa khử của màng. - Khả năng tích trữ năng lƣợng cao [3,15]: sử dụng làm vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp. - Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại. PANi đƣợc tổng hợp theo hai phƣơng pháp là phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp điện hóa trong đó phƣơng pháp điện hóa có nhiều ƣu điểm hơn, tuy nhiên để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lƣợng lớn thì 5
phƣơng pháp hóa học đƣợc sử dụng nhiều hơn [12]. 1.3. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng Ở Việt Nam, sau gần 20 năm mở cửa và đẩy mạnh kinh tế với hơn 64 khu chế xuất và khu công nghiệp cộng thêm hàng trăm cơ sở hóa chất và chế biến trên toàn quốc đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lƣợng kim loại nặng trong các nguồn thải, tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp và khu dân cƣ lớn nhƣ Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh,…. Theo báo cáo môi trƣờng quốc gia năm 2011 có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lƣợng dòng xả nƣớc thải xả ra môi trƣờng do công trình hay thiết bị xử lý nƣớc thải còn hạn chế đã và đang làm cho vấn đề ô nhiễm kim loại nặng càng trầm trọng. Trên thế giới tình hình ô nhiễm kim loại nặng không chỉ diễn ra ở các nƣớc phát triển mà cả ở những nƣớc đang phát triển và ngày càng diễn biến theo chiều hƣớng xấu. Các sự cố nhiễm độc kim loại nặng đã đƣợc ghi nhận ở nhiều nơi trên thế giới nhƣ: Trung Quốc (lƣợng Cr trong nƣớc uống tại Hồng Kông đã ở mức ung thƣ), Thái Lan (theo báo cáo của Viện Quốc tế quản lý nƣớc năm 2004 thì hầu hết các ruộng lúa tại tỉnh Tak đã bị nhiễm Cd cao gấp 94 lần tiêu chuẩn cho phép), khu vực Nam Mỹ (ô nhiễm Hg từ hoạt động khai thác vàng),…. Ảnh hƣởng lâu dài không chỉ đến hệ sinh thái mà còn ảnh hƣởng đến cả sức khỏe con ngƣời.  Xử lý môi trƣờng bằng bã chè Trên thế giới đã nhiều công trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè và ứng dụng trong việc xử lý môi trƣờng nhƣ: công trình nghiên cứu của tác giả Xiaoping Yang [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của bã chè biến tính bằng kiềm nhƣ một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ Pb2+ trong dung dịch nƣớc hay công trình của tác giả P. Panneerselvam [17] đã nghiên cứu loại bỏ ion Ni2+ trong dung dịch nƣớc bởi bã chè phủ oxit nano Fe3O4,…. 6
Trong nƣớc 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 giả Đỗ Trà Hƣơng và Trần Thúy Nga (2014) [5] đã nghiên cứu hấp phụ màu xanh metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan. Nghiên cứu của Đỗ Trà Hƣơng và Dƣơng Thị Tú Anh (2014) [4] đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè. 1.4. Hấp phụ 1.4.1. Khái niệm Theo tác giả Trần Văn Nhân: hấp phụ là sự tập tụ chất trên bề mặt phân chia 2 pha thể tích (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng) [2, 3]. Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 g chất hấp phụ. Sự hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào độ xốp của chất hấp phụ. 1.4.2. Dung lượng hấp phụ Dung lƣợng hấp phụ (q) là lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp thu) bởi 1 gam chất hấp phụ rắn đƣợc tính theo công thức [12]: (C0  C ).V q m (1.1) Trong đó: q: lƣợng chất bị hấp phụ (mg/g). C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L). V: thể tích dung dịch (L). m: khối lƣợng chất hấp phụ (g). 7
1.4.3. Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và nồng độ dung dịch ban đầu C0: C0  C H .100(%) C0 (1.2) 1.4.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Ở nhiệt độ không đổi (T=const), đƣờng biểu diễn q=fT (P hoặc C) đƣợc gọi là đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lƣợng 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 [2,3]. Đối với chất hấp phụ là rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc mô tả qua các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,… Nghiên cứu này sẽ nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ (VLHP) đối với ion kim loại Pb2+ trong môi trƣờng nƣớc theo mô hình đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.  Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [2,3] Những luận điểm đƣợc đƣa ra khi xây dựng thuyết:  Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do của các nguyên tử hay phân tử bề mặt chất hấp phụ.  Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.  Sự hấp phụ là thuận nghịch.  Tƣơng tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bị bỏ qua. Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng: 8
K L .C q  qmax 1  K L .C (1.3) Trong đó: KL: hằng số (cân bằng) hấp thu Langmuir. q: dung lƣợng hấp phụ cân bằng (mg/g). qmax: dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g). C: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L). q qmax 0 Ct Hình 1.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [1] Để tính các hằng số trong phƣơng trình Langmuir ta đƣa phƣơng trình (1.3) về dạng đƣờng thẳng: C 1 1   .C C/q (g/L) q K L .qmax qmax (1.4) α M 0 C (mg/L) Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1] 9
Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ đƣợc đồ thị sự phụ thuộc của C/q theo C. Đƣờng biểu diễn có độ dốc là: 1 tan   qmax (1.5) Từ đó xác định đƣợc qmax và KL: 1 KL  C .qmax  C q (1.6) Ta có thể xác định tham số cân bằng RL: 1 RL  1  K L .C0 (1.7) Trong đó: RL: tham số cân bằng. C0: nồng độ ban đầu (mg/L). KL: hằng số Langmuir (L/mg). Phƣơng trình Langmuir xác định đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại và mối tƣơng quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp phụ thông qua hằng số Langmuir KL. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ hấp phụ. 1.4.5. Động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau [2]: - Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - giai đoạn khuếch tán trong dung dịch. - Phân tử chất bị hấp phụ chuyển đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ 10
chứa các hệ mao quản – giai đoạn khuếch tán màng. - Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên tronng hệ mao quản của chất hấp phụ - giai đoạn khuếch tán trong mao quản. - Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ - giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc, quá trình khuếch tán thƣờng chậm và đóng vai trò quyết định. Tốc độ của một quá trình hấp phụ đƣợc xác định bởi sự thay đổi hàm lƣợng của chất bị hấp phụ theo thời gian. Mô hình động học hấp phụ bậc 1 đã đƣợc đƣa ra để giải thích cơ chế hấp phụ. Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào dung lƣợng chất hấp phụ: dqt  k1 (qe  qt ) dt (1.8) Trong đó: qe, qt: là dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (mg/g). k1: là hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1 (thời gian 1). Áp dụng điều kiện biên tại thời điểm t = 0, q0 = 0 và t = t, qt = qt, phƣơng trình (1.8) trở thành: lg(qe  qt )  lg qe  k1.t / 2,303 (1.9) Phƣơng trình (1.9) có dạng tuyến tính bậc nhất. Từ (1.9) ta xác định đƣợc qe và hằng số k1.tg  k1 / 2,303 (1.10) OM  lg qe (1.11) 11