Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn nhằm khảo sát một số đặc điểm bề mặt của than chế tạo được bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của than chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VATSANA INTHAPASONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ ĐẬU NÀNH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VATSANA INTHAPASONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ ĐẬU NÀNH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu THÁI NGUYÊN - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa có ai công bố trong một luận văn nào khác. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020 Tác giả luận văn VATSANA INTHAPASONG i
LỜI CẢM ƠN Để luận văn được hoàn thành và có kết quả như ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hóa Lý và trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Vũ Thị Hậu, cô đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình em thực hiện cho đến khi em hoàn thành luận văn. Em cũng xin chân thành cảm ơn Đại sứ quán Lào tại Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian em học tập tại Việt Nam. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã quan tâm, động viên em và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù bản thân em đã rất cố gắng nhưng luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các Thầy giáo, Cô giáo, ý kiến góp ý của các bạn để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020 Học viên Vatsana Inthapasong ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT ĐẦY ĐỦ NL Nguyên liệu TBĐ Than bã đậu SEM Hiển vi điện tử quét BET Diện tích bề mặt riêng BTNMT Bộ tài nguyên môi trường QCVN Quy chuẩn Việt Nam iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................iii MỤC LỤC .......................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH..........................................................................................viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 3 1.1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng ..................................................................... 3 1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng ........................................................................... 3 1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng .................................. 3 1.1.3. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi trường ..... 4 1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng .......................................... 5 1.2.1. Phương pháp kết tủa .................................................................................. 5 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion .......................................................................... 5 1.2.3. Phương pháp điện hóa ............................................................................... 6 1.2.4. Phương pháp oxi hóa khử .......................................................................... 6 1.2.5. Phương pháp sinh học ............................................................................... 6 1.2.6. Phương pháp hấp phụ ................................................................................ 6 1.3. Hấp phụ trong môi trường nước .................................................................. 7 1.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước ............................... 7 1.3.2. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước ..................................... 8 1.4. Tổng quan về than hoạt tính và các giai đoạn điều chế than hoạt tính ....... 8 1.4.1. Tổng quan về than hoạt tính ...................................................................... 8 1.4.2. Các giai đoạn điều chế than hoạt tính ...................................................... 11 1.5. Giới thiệu về Crom và tác dụng sinh hóa của crom đối với con người, môi trường ................................................................................................. 12 1.6. Giới thiệu về cây đậu tương ...................................................................... 14 1.7. Một số hướng nghiên cứu sử dụng than hấp phụ ion kim loại nặng ............ 17 iv
1.8. Một số công trình nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu được chế tạo từ bã đậu nành ............................................................................................. 19 1.9. Một số phương pháp xác định đặc trưng hóa lý của than ......................... 21 1.9.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................ 21 1.9.2. Phương pháp hấp phụ đa phân tử(BET) .................................................. 22 Chương 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 22 2.1. Thiết bị và hóa chất ................................................................................... 23 2.1.1. Thiết bị ..................................................................................................... 23 2.1.2. Hóa chất ................................................................................................... 23 2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ ............................................................................ 24 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ............................................................................... 24 2.2.2. Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành ..................................................... 24 2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) theo phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV -Vis .................................................................... 25 2.4. Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và TBĐ chế tạo được ............. 26 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung, tỉ lệ chất hoạt hóavà nguyên liệu đến quá trình chế tạo than thông qua thí nghiệm hấp phụ Cr(VI) ..... 26 2.6. Xác định chỉ số hấp phụ iot của TBĐ ....................................................... 26 2.7. Xác định điểm đẳng điện của TBĐ ........................................................... 27 2.8. Các thí nghiệm hấp phụ ............................................................................. 27 2.8.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Cr(VI) của các mẫu TBĐ .................. 27 2.8.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ... 27 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 29 3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn Cr(VI) ..................................................... 29 3.2. Một số đặc trưng của nguyên liệu và TBĐ ............................................... 30 3.2.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) .............................................................. 30 3.2.2. Diện tích bề mặt riêng (BET) .................................................................... 31 3.3. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Cr(VI) của nguyên liệu và các mẫu TBĐ ..... 31 3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Cr(VI) của TBĐ ...... 34 3.4.1. Ảnh hưởng của pH................................................................................... 34 v
3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian ......................................................................... 35 3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 36 3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu và xác định dung lượng hấp phụ cực đại................................................................................................. 37 KẾT LUẬN....................................................................................................... 39 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN VĂN ......................................................................... 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 41 PHỤ LỤC vi
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Kí hiệu các mẫu TBĐ .................................................................... 25 Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Cr(VI) ............. 29 Bảng 3.2. Số liệu khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ Cr(VI) của các mẫu ..... 31 Bảng 3.3. Diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET của các mẫu ....... 31 Bảng 3.4. Số liệu xác định điểm đẳng điện của TBĐ.................................... 33 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ ........ 34 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ .... 35 Bảng 3.7. Sự phụ thuộc dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cr(VI)của than vào nhiệt độ ................................................................................... 36 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến khả năng hấp phụ của than ................................................................................................ 37 Bảng 3.9. So sánh dung lượng hấp phụ Cr(VI) của TBĐ chế tạo được với một số than khác ............................................................................ 38 vii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cây đậu nành và bã đậu nành ................................................................ 15 Hình 3.1. Đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ................................................ 29 Hình 3.2. Biểu đồ so sánh hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của nguyên liệu và các mẫu TBĐ.................................................................................................. 32 Hình 3.3. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của nguyên liệu (V505)và của 3 mẫu TBĐ .......................................................................................................... 30 Hình 3.4. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của TBĐ ............................................ 33 Hình 3.5 Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của TBĐ vào pH .................. 34 Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) ..................... 36 Hình 3.7. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của than đối với Cr(VI) ................................................................................................ 38 viii
MỞ ĐẦU Tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Nguồn nước thải của các cơ sở sản xuất, nước thải sinh hoạt chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để vẫn hàng ngày thải ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng. Nếu hàm lượng kim loại nặng vượt quá ngưỡng cho phép sẽ rất độc và gây tác hại lâu dài tới cơ thể chúng ta. Kim loại nặng có thể tiếp xúc với màng tế bào, ảnh hưởng tới quá trình phân chia ADN, dẫn đến thai chết, sự dị dạng, quái thai cho các thế hệ sau. Có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là việc sử dụng than hoạt tính được chế tạo từ các phụ phẩm nông nghiệp như: vỏ trấu [27], vỏ lạc [17], [34], bã mía [18], [36], xơ dừa [29], vỏ cây [26]… để làm vật liệu hấp phụ tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Phương pháp này có ưu điểm như: đi từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có, quy trình đơn giản, phổ cập, hiệu quả, không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại, không độc hại cho con người và sinh vật... Đậu nành là loại cây giàu hàm lượng chất đạm protein, được trồng để làm thức ăn cho người và gia súc. Cây đậu nành là cây thực phẩm có hiệu quả kinh tế lại dễ trồng. Sản phẩm từ cây đậu nành được sử dụng rất đa dạng như dùng trực tiếp hạt thô hoặc chế biến thành đậu phụ, ép thành dầu đậu nành, nước tương, làm bánh kẹo, sữa đậu nành,... đáp ứng nhu cầu về chất đạm trong khẩu phần ăn hàng ngày của con người cũng như gia súc. Tuy nhiên sau mỗi lần chế biến thành thực phẩm thì bã đậu nành thường chỉ được tận dụng trong chăn nuôi hoặc bị loại bỏ, để có thể khai thác hiệu quả giá trị sử dụng của đậu nành chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước”. 1
Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về: - Chế tạo than hoạt tính từ bã đậu nành. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của than chế tạo được bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). - Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của than chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Ô nhiễm do ion kim loại nặng 1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một vài kim loại nặng có thể cần thiết cho cơ thể sống bao gồm động vật, thực vật, các vi sinh vật khi chúng chỉ ở một hàm lượng nhất định nào đó. Tuy nhiên khi ở một hàm lượng lớn hơn giới hạn cho phép nó sẽ trở nên độc hại. Trong tự nhiên kim loại nặng tồn tại ở cả ba môi trường: môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí. Trong đó môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa và rộng nhất, trong môi trường này kim loại nặng có thể tồn tại dưới dạng ion và phức chất. Nguồn nước có chứa kim loại nặng nếu được đưa đi tưới cây thì sẽ khiến cây trồng và đất trồng sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng. Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn uống [39], [40]. 1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, của các lĩnh vực kinh tế, các loại hình dịch vụ,… nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng tăng cao về mọi mặt. Điều này đã thúc đẩy quá trình khai thác các kim loại trong trong ngành công nghiệp khai khoáng cũng ngày một tăng lên. Đây là nguyên nhân chính làm cho nguồn nước bị ô nhiễm bởi các ion kim loại nặng điển hình như Cu2+, Fe3+, Pb2+, Ni2+, Cd2+, Cr(VI),… Ở nước ta mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nguồn nước vẫn là vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng,…[2]. Theo đánh giá của các công trình nghiên cứu thì hầu hết các sông, hồ ở ba thành phố lớn là Hà Nội, thành phố Hồ 3
Chí Minh, thành phố Hải Phòng và một số thành phố có các khu công nghiệp lớn như Bình Dương,… nồng độ kim loại nặng của các con sông ở các khu vực này đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 4 lần. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải công nghiệp từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt ước tính với tổng lượng nước thải khoảng 500.000 m3/ngày. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, gang thép, luyện kim màu, khai thác than... chiếm khoảng 15% lưu lượng nước sông Cầu. Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có hàng ngàn m3 nước thải không qua xử lý được thải ra hàng ngày, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực [42]. 1.1.3. Tác dụng sinh hóa của ion kim loại nặng đối với con người và môi trường Kim loại nặng được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…) và các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…). Kim loại nặng không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng độc ở dạng ion vì nó có thể gắn kết các chuỗi cacbon ngắn khó đào thải gây ngộ độc. Kim loại nặng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng,…) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động vật, thực vật). Trong những điều kiện thích hợp kim loại nặng trong nước có thể phát tán vào môi trường đất và khí. Trong môi trường nước, kim loại nặng tồn tại dưới 3 dạng và đều có thể ảnh hưởng đến sinh vật, đó là: (1) hòa tan, (2) bị hấp phụ bởi các thành phần vô sinh hoặc hữu sinh, lơ lửng trong nguồn nước hoặc lắng tụ xuống đáy, (3) tích tụ trong cơ thể sinh vật. Một số kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người, động vật và thực vật, các kim loại cần thiết như Co, Cu, Fe, Mn, Ni,… Tuy nhiên, một số kim loại 4
nặng như Pb, Fe, Cu, Cr,… nếu vượt quá hàm lượng cho phép sẽ gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe của con người [15], [30], [36]. Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể con người thông qua các chu trình thức ăn. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzim trong cơ thể. Vì thế các enzim bị mất hoạt tính cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể [15], [30]. 1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 1.2.1. Phương pháp kết tủa Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất được đưa vào nước thải với kim loại cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạng hiđroxit kim loại rất ít tan. Trong phương pháp kết tủa đối với kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng. Khi xử lý cần chọn tác nhân trung hòa và điều chỉnh pH phù hợp. Phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo [6]. 1.2.2. Phương pháp trao đổi ion Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tách kim loại nặng ra khỏi nước thải. Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là quá trình trao đổi ion, quá trình này được tiến hành trong cột cationit và anionit. Ionit được làm từ nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hyđrocacbon có các nhóm chức trao đổi ion. Khi nhựa trao đổi ion đã bão hòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch bazơ loãng. Về mặt kỹ thuật hầu hết các kim loại nặng đều có thể tách ra bằng phương pháp trao đổi ion. Tuy nhiên, phương pháp này cần có nguồn kinh phí lớn, đặc biệt đối với nhà máy có quy mô lớn, lượng nước thải nhiều nên vẫn chưa được áp dụng phổ biến [3]. 5
1.2.3. Phương pháp điện hóa Tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải có chứa kim loại nặng cho dòng điện một chiều chạy qua. Bằng phương pháp này cho phép tách các ion kim loại ra khỏi nước thải, không bổ sung thêm hóa chất nhưng lại thích hợp với nước thải có nồng độ các ion kim loại cao (trên 1g/L), chi phí dành cho điện năng là khá lớn [32]. 1.2.4. Phương pháp oxi hóa khử Đây là một phương pháp thông dụng để xử lý nước thải có chứa kim loại nặng khi mà phương pháp vi sinh không thể xử lý được. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang dạng khác bằng sự có thêm electron (khử) và mất electron (oxi hóa) một cặp được tạo bởi sự cho nhận electron được gọi là hệ thống oxi hóa - khử [28]. 1.2.5. Phương pháp sinh học Một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo,… Với phương pháp này, nước thải có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/L và bổ sung đủ chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo. Phương pháp này cần diện tích lớn và nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém [7]. 1.2.6. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có tính ưu việt hơn hẳn so với phương pháp khác. Vật liệu hấp phụ thường được chế tạo từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp, đặc biệt các vật liệu hấp phụ có độ bền khá cao, có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp, tức hiệu quả kinh tế cao [8], [13], [21]. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp phụ là than hoạt tính chế tạo từ bã đậu nành để hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước. 6
1.3. Hấp phụ trong môi trường nước 1.3.1. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó. Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO 24 , PO 34 , CrO 24 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn. Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt hấp phụ tích điện dương. Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ 7
thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [3]. Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản,… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ. 1.3.2. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước bị hiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, các phức chất hiđroxo, các cặp ion hay phức chất khác. Dạng phức hiđrxo được tạo ra nhờ phản ứng thuỷ phân. Sự thuỷ phân của ion kim loại trong dung dịch có thể chịu ảnh hưởng rất lớn bởi pH của dung dịch. Khi pH của dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi phân bố các dạng thuỷ phân, làm cho thay đổi bản chất, điện tích, kích thước ion kim loại có thể tạo phức, sự hấp phụ và tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ, điều này ảnh hưởng đến cả dung lượng và cơ chế hấp phụ [3]. 1.4. Tổng quan về than hoạt tính và các giai đoạn điều chế than hoạt tính 1.4.1. Tổng quan về than hoạt tính Than hoạt tính (Activated Carbon) là một dạng carbon, được xử lý hoạt hóa dưới nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí để tạo ra cấu trúc lỗ xốp, rỗng làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc cho hấp phụ hoặc phản ứng hóa học. Than hoạt tính được làm từ nhiều nguyên liệu như than đá, gỗ, gáo dừa, vỏ trấu, thân tre,… Than hoạt tính có những tính chất đặc trưng như: cấu trúc tinh thể, khối lượng riêng. Ngoài ra than hoạt tính còn có những thông số cơ bản như: độ xốp, diện tích bề mặt, chỉ số iot, độ cứng, kích thước hạt, hệ mao quản và cấu trúc bề mặt [27]. Một số thông số của than hoạt tính - Độ xốp là tỉ số giữa thể tích của các lỗ xốp trên thể tích của vật xốp.Thể tích lỗ xốp riêng là không gian rỗng tính cho một đơn vị khối lượng. Kích thước của lỗ xốp được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính của ống xốp. Theo tiêu chuẩn của IUPAC thì kích thước lỗ xốp được chia ra làm 8
ba loại: micro pore có kích thước bé hơn 2 nm, meso pore có kích thước từ 2-50 nm và macro pore có kích thước từ 50 nm trở lên. Những lỗ xốp meso có diện tích bề mặt chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Những lỗ xốp kích thước lớn không có nhiều ý nghĩa trong hoạt tính của than vì diện tích bề mặt riêng của chúng không đáng kể. - Bề mặt riêng là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng.Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính được đo bằng m²/g và là một thông số hết sức quan trọng đối với than, cho biết khả năng hấp phụ của than hoạt tính. 95% diện tích bề mặt riêng của than là diện tích của những lỗ xốp micro. - Chỉ số iot: là một chỉ số cơ bản của than hoạt tính đặc trưng cho diện tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than. Chỉ số iot được tính bằng khối lượng iot có thể được hấp phụ bởi một đơn vị khối lượng của than (mg/g). Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên sự hấp phụ lớp đơn phân tử iot trên bề mặt của than. Chỉ số iot càng lớn thì mức độ hoạt hóa càng cao. Giá trị của chỉ số iot nằm trong khoảng 500-1200 mg/g. Từ giá trị của chỉ số iot có thể tính ra được diện tích bề mặt riêng của than. - Độ cứng: Là khả năng chống chịu mài mòn của than hoạt tính. Đây là một thông số quan trọng bởi vì trong quá trình sử dụng, than hoạt tính còn phải chịu những tác động vật lý như: bị đặt dưới dòng chảy lỏng hoặc khí, dưới tác động của áp suất, do đó than cần phải đảm bảo được những yếu tố về độ cứng nhằm giữ được nguyên vẹn cấu trúc trong quá trình sử dụng và phục hồi. Độ cứng của than phụ thuộc rất nhiều vào nguyên liệu đầu vào cũng như mức độ quá trình hoạt hóa. - Kích thước hạt: Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến khả năng tiếp cận của chất được hấp phụ tới bền mặt của than. Kích thước càng nhỏ thì khả năng tiếp cập càng dễ và quá trình hấp phụ diễn ra càng nhanh. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi hấp phụ trong hệ khí có áp suất thấp. Tính toán kỹ được phân bố kích 9
thước hạt giúp chúng ta có thể chọn lựa được những thông số áp suất tối ưu để giảm thiểu tối đa mức tiêu thụ năng lượng. - Hình dáng mao quản: trong thực tế rất khó xác định chính xác hình dáng của các mao quản. Song có bốn loại mao quản được thừa nhận là: mao quản hình trụ, hình cầu, hình khe, hình chai. - Phân bố kích thước của mao quản hay phân bố lỗ xốp dựa trên những giả thuyết về hình dáng mao quản. Chúng được xác định theo sự biến đổi của thể tích hay diện tích bề mặt của mao quản với kích thước mao quản. Trong quá trình hấp phụ, yếu tố quan trọng đầu tiên để đánh giá khả năng hấp phụ của han là diện tích bề mặt riêng. Thường thì diện tích bề mặt càng lớn sẽ có khả năng hấp phụ càng cao, do có nhiều trung tâm hấp phụ trên bề mặt than. Kích thước của mao quản và sự phân bố kích thước cũng là những yếu tố quan trọng để chọn các loại than phù hợp với mục đích sử dụng. Theo quy định của IUPAC, có thể chia mao quản thành ba loại dựa vào kích thước [14]. - Mao quản lớn: đường kính mao quản trung bình d ≥ 50 nm. - Mao quản trung bình: đường kính mao quản trung bình 2 nm