Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu chế tạo bằng phương pháp hấp thụ tĩnh như thời gian, pH, khối lượng vật liệu hấp phụ, nồng độ đầu, nhiệt độ... Nghiên cứu cơ chế hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu bã chè. 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: Nghiên cứu hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐINH TRIỆU TOÀN NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ METYLEN XANH, PHẨM ĐỎ ĐH 120 BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ TRÀ HƯƠNG 1-22,24-41,44-46,50-65,67-68,71-98 23,42,43,47,48,49,66,69,70 Thái Nguyên– 2014 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý môi trường” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả luận văn ĐINH TRIỆU TOÀN i Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. ĐỖ TRÀ HƯƠNG cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả ĐINH TRIỆU TOÀN ii Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan............................................................................................................ i Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii Mục lục .................................................................................................................. iii Danh mục các bảng, ................................................................................................iv Danh mục các hình ...................................................................................................v Danh mục từ viết tắt .................................................................................................. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1: TỔNG QUAN...................................................................................... 4 1.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ .............................................................. 4 1.1.1. Các khái niệm ........................................................................................ 4 1.1.2. Động học hấp phụ .................................................................................. 7 1.1.3. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt............................................................. 9 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ .........................................15 1.1.5. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước.............................15 1.2. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước.....................................................16 1.3. Sơ lược về thuốc nhuộm ..............................................................................17 1.3.1. Định nghĩa thuốc nhuộm .......................................................................17 1.3.2. Phân loại thuốc nhuộm ..........................................................................18 1.4. Giới thiệu về VLHP bã chè .........................................................................21 1.5. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH120 trong môi trường nước và sử dụng bã chè, các chất thải chè làm vật liệu hấp phụ. .......24 1.5.1. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh...................................24 1.5.2. Một số hướng nghiên cứu hấp phụ phẩm nhuộm đỏ ĐH120 ..................25 1.5.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã thải chè làm vật liệu hấp phụ ......26 1.6. Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang: .........................................29 1.6.1. Nguyên tắc ............................................................................................29 iii Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
1.6.2. Độ hấp thụ quang (A)............................................................................29 1.6.3. Phương pháp đường chuẩn ....................................................................30 1.7. Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm ..................................................31 1.7.1. Phương pháp phổ Hồng ngoại (IR) ........................................................31 1.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)...............................................32 1.7.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET).......................................32 Chương 2: THỰC NGHIỆM ..............................................................................34 2.1. Thiết bị và hóa chất......................................................................................34 2.1.1. Thiết bị..................................................................................................34 2.1.2. Hoá chất ................................................................................................34 2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) .................................................................34 2.3. Khảo sát tính chất bề mặt của VLHP chế tạo được.......................................35 2.4. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ .............................................35 2.5. Lập đường chuẩn xác định nồng độ .............................................................35 2.5.1. Lập đường chuẩn xác định nồng độ của metylenxanh............................35 2.5.2. Lập đường chuẩn xác định nồng độ của phẩm đỏ ĐH120 .....................36 2.6. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP.........................................................................................37 2.6.1. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ................................................37 2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ của VLHP.........................38 2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của VLHP ..38 2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP 39 2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của VLHP......39 2.6.6. Nghiên cứu giải hấp phụ........................................................................39 2.7. Xử lý thử mẫu nước thải dệt nhuộm............................................................40 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................41 3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt hấp phụ của bã chè (VLHP)...................41 3.2. Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ .............................................43 iv Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
3.3. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP.........................................................................................44 3.3.1. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ: ..................................44 3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ của VLHP.............48 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của VLHP ..53 3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của VLHP ......55 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP 57 3.4. Khảo sát dung lượng hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir...58 3.5. Khảo sát quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich .....60 3.6. Khảo sát quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Temkin.........62 3.7. Nghiên cứu giải hấp phụ .............................................................................64 3.8. Động học hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP ...............67 3.9. Nhiệt động lực học hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH120 của VLHP...72 3.10: Xử lý thử mẫu nước thải dệt nhuộm..........................................................75 KẾT LUẬN...........................................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................78 PHỤ LỤC v Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ.................................................. 9 Bảng 2.1: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch metylen xanh với các nồng độ khác nhau ........................................................................................36 Bảng 2.2: Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch phẩm đỏ ĐH120 với các nồng độ khác nhau ........................................................................................37 Bảng 3.1: Các đặc tính quang phổ hồng ngoại của VLHP ......................................42 Bảng 3.2: Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP ..........................................43 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào thời gian .......................................................................................................45 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của dung lượng, hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 vào thời gian .................................................................................................46 Bảng 3.5: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào pH ................................................................................49 Bảng 3.6: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ phẩm ỏ ĐH 120 của VLHP vào pH ...........................................................................50 Bảng 3.7: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào khối lượng VLHP .........................................................................................53 Bảng 3.8 : Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ và dung lương hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH120 vào nhiệt độ ..........................................................55 Bảng 3.9: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào nồng độ.........................................................................................................57 Bảng 3.10: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir ..............................59 Bảng 3.11: Các hằng số của phương trình Freundlich .............................................61 Bảng 3.12: Sự phụ thuộc lnCcb vào nồng độ đối với quá trình hấp phụ metylen xanh và phẩm đỏ ĐH 120 .............................................................................63 Bảng 3.13 : Các hằng số của phương trình Temkin .................................................63 iv Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Bảng 3.14: Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào pH trong quá trình giải hấp metylen xanh, phẩm đỏ ĐH120 ........................................65 Bảng 3.15: Số liệu khảo sát động học hấp phụ metylen xanh ..................................67 Bảng 3.16: Số liệu khảo sát động học hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 .............................68 Bảng 3.17: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 đối với metylen xanh và phẩm đỏ ĐH 120 ..........................................................................................71 Bảng 3.18: Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 đối với metylen xanh và phẩm đỏ ĐH 120 ..........................................................................................71 Bảng 3.19: Kết quả tính KD tại các nhiệt độ khác nhau ...........................................73 Bảng 3.20: Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 ..........................................................................................74 Bảng 3.21: Kết quả đo TOC, COD mẫu nước thải ..................................................75 v Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir......................................................11 Hình 1.2: Đồ thị sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf ........................................................11 Hình 1.3: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich ....................................................12 Hình 1.4: Sự phụ thuộc lgq vào lgCcb.....................................................................12 Hình 1.5: Sự phụ thuộc của qe vào ln C cb ................................................................14 Hình 1.6: Công thức cấu tạo của metylen xanh .......................................................19 Hình 1.7: Công thức cấu tạo của MB+.....................................................................19 Hình 1.8: Công thức cấu tạo của phẩm đỏ ĐH120 [8] ............................................20 Hình 1.9 : Hình ảnh cây chè....................................................................................23 Hình 2.1: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ...............................36 Hình 2.2: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ phẩm đỏ ĐH 120 .........................37 Hình 3.1: Phổ FT – IR của VLHP...........................................................................41 Hình 3.2: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP trước khi hấp phụ metylen xanh ..................................................................................................42 Hình 3.3: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của VLHP sau khi hấp phụ metylen xanh.........43 Hình 3.4: Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP .............................................44 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào thời gian .............47 Hình 3.6: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 vào thời gian ........47 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của metylen xanh vào pH ...................................................................................................48 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phẩm đỏ ĐH 120 vào pH .............................................................................................49 Hình 3.9: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh vào pH ......................50 Hình 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH120 vào pH ...............51 Hình 3.11 : Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào khối lượng VLHP ...........................................................................................54 v Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Hình 3.12: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP vào khối lượng VLHP ....................................................................................54 Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ metylen xanh của VLHP vào nhiệt độ ..................................................................................56 Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP vào nhiệt độ............................................................................56 Hình 3.15: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với metylen xanh......58 Hình 3.16: Sự phụ thuộc của Ccb/q ào Ccb đối với metylen xanh ............................58 Hình 3.17: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với phẩm đỏ ........59 ĐH 120...................................................................................................................59 Hình 3.18: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với phẩm đỏ ĐH 120......................59 Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc lgq vào lgCcb đối với sự hấp phụ metylen xanh ..................................................................................................60 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lgCcb đối với sự hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 ............................................................................................61 Hình 3.21: Sự phụ thuộc của q vào lnCcb đối với sự hấp phụ metylen xanh của VLHP.............................................................................................................62 Hình 3.22: Sự phụ thuộc của q vào lnCcb đối với sự hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP ......................................................................................................62 Hình 3.23 : Đồ thị thể hiện quá trình giải hấp phụ metylen xanh của VLHP ...........66 Hình 3.24: Đồ thị thể hiện quá trình giải hấp phụ phẩm đỏ ĐH 120 của VLHP ......66 Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 1 với metylen xanh ..........................69 Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 1 với phẩm đỏ ĐH 120 ....................69 Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 2 với metylen xanh ..........................70 Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn phương trình bậc 2 đối với phẩm đỏ ĐH 120 ..............70 Hình 3.29: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKD vào 1/T của metylen xanh .......73 Hình 3.30: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKD vào 1/T của phẩm đỏ ĐH120............................................................................................................74 vi Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Kí hiệu viết tắt Nội dung 1 BET Đo diện tích bề mặt riêng 2 BTNMT Bộ tài nguyên môi trường 3 COD Nhu cầu oxi hóa học 4 ĐH120 Đỏ hoạt tính 120 5 NT1 Nước thải trước xử lý 6 NT2 Nước thải sau xử lý 7 MB Methylene Blue - Metylen xanh 8 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 9 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 10 TOC Tổng các bon hữu cơ 11 TEM Hiển vi điện tử truyền qua 12 TOC Tổng các bon hữu cơ 13 VLHP Vật liệu hấp phụ vi Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
MỞ ĐẦU Công nghiệp dệt nhuộm là một trong những ngành lớn và lâu đời ở Việt Nam. Do đặc thù sản xuất, ngành công nghiệp này tiêu thụ một lượng rất lớn nước và cũng tạo ra một lượng nước thải công nghiệp dệt nhuộm tương ứng từ các bước khác nhau trong quá trình nhuộm màu và hoàn thiện sản xuất. Nước thải này có độ kiềm, độ màu và hàm lượng các chất hữu cơ, chất rắn độc hại rất cao do sử dụng rất nhiều loại hóa chất trong quy trình sản xuất. Ngoài ra một số thuốc nhuộm còn có tính chất độc hại khi chúng thâm nhập vào thức ăn, nguồn nước sinh hoạt, là tác nhân gây ung thư khi con người tiếp nhận các nguồn trên. Ở mỗi quốc gia, trong đó có Việt Nam, việc xử lý các thành phần gây ô nhiễm này tới hàm lượng cho phép là điều bắt buộc trước khi nguồn nước thải được đưa trở lại tự nhiên. Để giải quyết các vấn đề này, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng cho việc xử lý màu của nước thải dệt nhuộm thông qua việc tách các thuốc nhuộm ra khỏi nước thải trước khi đưa ra môi trường nước. Các phương pháp thường được sử dụng là hóa học và hóa lý truyền thống như trung hòa điều chỉnh pH, đông keo tụ, oxy hóa. Tuy nhiên, các phương pháp trên rất khó vận dụng, yêu cầu chi phí đầu tư cao và hóa chất đắt đỏ. Một trong những hướng đi ưu tiên, gần đây được nhiều nhà khoa học quan tâm cả trong và ngoài nước là xử lý màu của nước thải dệt nhuộm bằng các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môi trường được chế tạo từ vật liệu phế thải trong các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp. Ưu điểm chính của nó là nguồn cung cấp vật liệu phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường. Việt Nam có khí hậu nhiệt đới 4 mùa nằm ở khu vực Đông Nam Á, là một trong những chiếc nôi của cây chè. Hiện nay, cả nước có khoảng 130 nghìn ha chè các loại, năng suất bình quân đạt hơn 77 tạ/ha, sản lượng chè của cả nước đạt gần 824 nghìn tấn búp tươi. Chè Việt Nam được xuất khẩu sang 110 quốc gia và vùng lãnh thổ, giá trị xuất khẩu đạt gần 200 triệu USD/năm. Việt Nam hiện đứng thứ 5 trên thế giới về sản lượng và xuất khẩu chè với kế hoạch sản xuất đạt 1,2 triệu tấn chè thô và xuất khẩu 200.000 tấn chè chế biến vào năm 2015. 1 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Thái Nguyên là vùng chè trọng điểm của cả nước, với diện tích chè hơn 18.500ha, trong đó có gần 17.000ha chè kinh doanh, năng suất đạt 109 tạ/ha, sản lượng đạt gần 185 nghìn tấn. Xác định chè là cây trồng mũi nhọn, những năm qua, tỉnh Thái Nguyên đã triển khai nhiều biện pháp để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm chè, trong đó có việc áp dụng quy trình thực hành sản xuất nông nghiệp tốt (VietGAP). Hiện nay, toàn tỉnh có 15 mô hình chè theo tiêu chuẩn VietGAP ở các huyện Đại Từ, Đồng Hỷ, Định Hóa, Võ Nhai, Phổ Yên, Phú Lương. Trong quá trình sản xuất chè, lá chè có chất lượng cao được lựa chọn để sản xuất chè xanh khô xuất khẩu, còn lá chè chất lượng thấp được sử dụng để sản xuất đồ uống trà và để tách polyphenol trong chè... Một số lượng lớn bã chè để sản xuất đồ uống trà 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. Các nghiên cứu cho thấy bã chè có thành phần chủ yếu là cellulose, hemicelluloses, lignin, tannin và các protein... Trong đó cellulose, hemicelluloses, lignin và tannin là những chất có chứa những nhóm chức cacboxylic, phenolic, hydroxyl và oxyl thơm…có khả năng hấp phụ các phẩm nhuộm trong môi trường nước [5, 8]. Vì vậy, chúng tôi quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 bằng vật liệu bã chè và thăm dò xử lý môi trường”. Đây là hướng nghiên cứu phù hợp với mục tiêu “Hình thành và phát triển ngành công nghiệp tái chế chất thải” trong chiến lược bảo vệ môi trường quốc gia của Việt Nam đến năm 2020 và tận dụng nguồn vật liệu phế thải trong ngành công nghiệp chè thế mạnh của quê hương Thái Nguyên. Với mục đích đó, trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau: 1 - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã chè. 2 - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu chế tạo bằng phương pháp hấp thụ tĩnh như thời gian, pH, khối lượng vật liệu hấp phụ, nồng độ đầu, nhiệt độ... 3 - Nghiên cứu cơ chế hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu bã chè. 2 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
4 - Mô tả quá trình hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu chế tạo được theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich, Temkin. 5 - Tính toán một số thông số nhiệt động lực học. 6 - Xác định động học quá trình hấp phụ metylen xanh, phẩm đỏ ĐH 120 của vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã chè. 7 - Thử nghiệm xử lý môi trường. 3 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải: Phương pháp cơ học, phương pháp xử lý sinh học, phương pháp hóa lý, phương pháp hấp phụ và phương pháp hóa học. Trong đó phương pháp hấp phụ là một phương pháp xử lý đang được chú ý nhiều trong thời gian gần đây, do nhiều đặc điểm ưu việt của nó. Vật liệu hấp phụ có thể chế tạo từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên và các phụ phẩm nông, công nghiệp sẵn có và dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp và quá trình xử lý không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại [2, 9]. 1.1.1. Các khái niệm Hấp phụ: là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn – khí, rắn – lỏng, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Trong đó: 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. Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 gam chất hấp phụ. Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ. Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ. Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2, 9]. 1.1.1.1. Hấp phụ vật lý Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảm 4 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao. Đặc điểm: Phân tử bị hấp phụ không chỉ tương tác với một nguyên tử mà với nhiều nguyên tử trên bề mặt. Do vậy, phân tử hấp phụ có thể hình thành một hoặc nhiều lớp phân tử trên bề mặt chất hấp phụ. Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [2, 9]. 1.1.1.2. Hấp phụ hóa học Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí…). Trong hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol. Đặc điểm: Chất bị hấp phụ chỉ hình thành một lớp đơn phân tử hấp phụ, giữa chúng hình thành hợp chất bề mặt. Hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, do đó mang tính đặc thù rõ rệt. Đây không phải là một quá trình thuận nghịch. Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong nhiều quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp thường xảy ra hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm, khả năng hấp phụ hóa học tăng lên [9]. Cân bằng hấp phụ: Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược pha mang. Theo thời 5 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
gian lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng. Đối với một hệ hấp phụ xác định, dung lượng hấp phụ là một hàm của nhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích. q = f(T, p) hoặc q = f(T, C) (1.1) Ở một nhiệt độ xác định, dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào áp suất (nồng độ): q = f(p) hoặc q = f(C) (1.2) Trong đó: q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) T: Nhiệt độ p: Áp suất C: Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha thể tích (mg/l) [7]. 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 dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt độ cho trước. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: (Co  C cb ).V q (1.3) m Trong đó: - q: dung lượng hấp phụ (mg/g) - V: thể tích dung dịch (ml ) - m: khối lượng chất hấp phụ (g ) - Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) - Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) 6 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất hấp phụ [9]. Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu. (C o  C cb ) H .100 % (1.4) Co Trong đó: - H: Hiệu suất hấp phụ - Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l) - Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l) [9]. 1.1.2. Động học hấp phụ + Đối với hệ lỏng - rắn, quá trình hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau: - Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Các phần tử chất bị hấp phụ chuyển từ pha thể tích đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ. - Giai đoạn khuếch tán màng: phần tử chất hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản. - Giai đoạn khuếch tán trong mao quản: các phần tử chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ. - Giai đoạn hấp phụ thực sự: các phần tử chất bị hấp phụ được gắn chặt vào bề mặt chất hấp phụ. Quá trình hấp phụ có thể được coi là một phản ứng nối tiếp, trong đó mỗi phản ứng nhỏ là một giai đoạn của quá trình. Khi đó, giai đoạn có tốc độ chậm nhất đóng vai trò quyết định đến tốc độ của cả quá trình. Trong các quá trình động học hấp phụ, người ta thừa nhận: giai đoạn khuếch tán trong và ngoài có tốc độ chậm nhất. Do đó các giai đoạn này đóng vai trò quyết định đến toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Dung lượng hấp phụ phụ thuộc vào các giai đoạn này và sẽ thay đổi theo thời gian cho đến khi quá trình đạt trạng thái cân bằng [9]. 7 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
Tốc độ hấp phụ v là biến thiên nồng độ chất bị hấp phụ theo thời gian: dx v (1.5) dt Tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian: dx V   (C0  Ccb )  k(q max  q) (1.6) dt Trong đó: β: hệ số chuyển khối. C0: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại thời điểm ban đầu (mg/l). Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ trong pha thể tích tại thời điểm t (mg/l). k : hằng số tốc độ hấp phụ. q : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g). qm: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g). Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren dq t  k 1 (q e  q t ) (1.7) dt Dạng tích phân của phương trình trên là: k1 lg(q e  q t )  lgq e  t (1.8) 2,303 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng: dq t  k 2 (q e  q t ) 2 (1.9) dt Dạng tích phân của phương trình này là: t 1 1   t (1.10) q t k 2 .q 2e q e Trong đó: - qe , qt là dung lượng hấp phụ tại thời gian đạt cân bằng và tại thời gian t (mg/g) - k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1. thời gian-1) biểu kiến. 8 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/
1.1.3. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Khi nhiệt độ không đổi, đường biểu diễn q = fT (P hoặc C) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường mô tả sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ không đổi. Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ như: phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir… [2, 3, 9]. Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng nhất áp dụng cho hệ hấp phụ rắn - khí được nêu ở bảng 1.1. Bảng 1.1: Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Bản chất của Tên phương trình Phương trình sự hấp phụ v b.q Langmuir   Vật lý và hóa học vm 1  b.q Henry v  k. p Vật lý và hóa học 1 Frendlich , n v  k . p (n > 1) Vật lý và hóa học Shlygin-Frumkin- v 1    ln Co . p Vật lý và hóa học Temkin vm a Brunauer-Emmett- p 1 (C  1) p   . Vật lý, nhiều lớp Teller (BET) v.( po  p ) vm .C vm .C po Trong các phương trình trên: v : thể tích chất bị hấp phụ, đặc trưng cho đại lượng hấp phụ thường biểu diễn bằng cm3 ở điều kiện tiêu chuẩn vm : đại lượng hấp phụ cực đại p : áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí 9 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/