Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận văn nhằm nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR). Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ 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: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––––– VI THỊ LINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Fe(III) CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––––– VI THỊ LINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Fe(III) CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CÂY SEN VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hậu THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen và thử nghiệm 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 9 năm 2018 Tác giả luận văn Vi Thị Linh i
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô phòng Sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. 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 xót. 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 9 năm 2018 ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................... iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................v DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................................ vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................3 1.1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ..................................................3 1.2. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng ...................................................................3 1.2.1. Sơ lược về kim loại nặng .....................................................................................3 1.2.2. Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan ....................................4 1.2.3. Giới thiệu về sắt và tác dụng sinh hóa của sắt .....................................................4 1.2.4. Quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp ..................................................5 1.3. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ........................5 1.3.1. Phương pháp kết tủa ............................................................................................5 1.3.2. Phương pháp trao đổi ion .....................................................................................5 1.3.3. Phương pháp hấp phụ ..........................................................................................6 1.3.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ ....................................................................6 1.4. Giới thiệu về than..................................................................................................12 1.5. Hấp phụ trong môi trường nước ...........................................................................14 1.5.1. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước .............................................14 1.5.2. Đặc điểm của sự hấp phụ trong môi trường nước .............................................14 1.6. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử .............................................................15 1.6.1. Nguyên tắc .........................................................................................................15 1.6.2. Phương pháp đường chuẩn ................................................................................17 1.7. Giới thiệu về cây sen.............................................................................................17 1.8. Một số phương pháp đặc trưng vật liệu ...............................................................18 iii
1.8.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..........................................................18 1.8.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) ..................................................19 1.8.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ....................................................................19 1.8.4. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX) ....................................................20 Chương 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................................24 2.1. Thiết bị và hóa chất...............................................................................................24 2.1.1. Thiết bị ...............................................................................................................24 2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................24 2.1.3. Pha chế các dung dịch........................................................................................24 2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen ......................................................................25 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu .........................................................................................25 2.2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen ..................................................................25 2.3. Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của TS chế tạo được .......................................25 2.4. Xác định điểm đẳng điện của TS ..........................................................................26 2.5. Xác định chỉ số hấp phụ iot của TS ......................................................................26 2.6. Xây dựng đường chuẩn xác định Mn(II) và Fe(III) ..............................................27 2.6.1. Xây dựng đường chuẩn Mn(II) ..........................................................................27 2.6.2. Xây dựng đường chuẩn Fe(III) ..........................................................................27 2.7. So sánh khả năng hấp phụ của NL và TS chế tạo được........................................28 2.8. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Mn(II), Fe(III) của TS theo phương pháp hấp phụ tĩnh .......................................................................28 2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH ...............................................................................28 2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian .....................................................................28 2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng ..................................................................28 2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................29 2.8.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................29 2.9. Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Fe(III) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột .........................................................................................................29 2.9.1. Chuẩn bị cột hấp phụ .........................................................................................29 2.9.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng .................................................................30 iv
2.9.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất giải hấp .................................................30 2.10. Xử lý mẫu nước thải chứa Mn(II), Fe(III) theo phương pháp tĩnh .....................30 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................32 3.1. Kết quả nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của TS chế tạo được .......................32 3.1.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).........................................................................32 3.1.2. Diện tích bề mặt riêng........................................................................................32 3.1.3. Phổ hồng ngoại IR .............................................................................................32 3.1.4. Xác định thành phần hóa học của TS ................................................................36 3.2. Điểm đẳng điện của TS.........................................................................................36 3.3. Chỉ số hấp phụ iot của TS .....................................................................................37 3.4. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Mn(II) và Fe(III) .........................................38 3.4.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn Mn(II) .............................................................38 3.4.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn Fe(III) .............................................................39 3.5. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của NL và TS ................................................40 3.6. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Fe(III) của TS...............................................................................................................40 3.6.1. Ảnh hưởng của pH ............................................................................................40 3.6.2. Ảnh hưởng của thời gian ...................................................................................43 3.6.3. Ảnh hưởng của khối lượng ................................................................................45 3.6.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ .....................................................................................47 3.7. Nhiệt động lực học hấp phụ Mn(II), Fe(III) của TS .............................................49 3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu ................................................................50 3.8. Kết quả khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Fe(III) theo phương pháp hấp phụ động đối với TS .....................................................................................53 3.8.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng ...............................................................................53 3.8.2. Kết quả giải hấp thu hồi Mn(II), Fe(III) ............................................................56 3.9. Kết quả xử lý nước thải chứa Mn(II), Fe(III) theo phương pháp hấp phụ tĩnh ....59 KẾT LUẬN .................................................................................................................60 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ...........61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Tiếng Việt Tiếng Anh Từ viết tắt 1 - Brunaur – Emmetle – Teller BET 2 Phổ hồng ngoại Infrared Spectroscopy IR 3 Nguyên liệu - NL 4 Ảnh hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy SEM 5 Phổ tán sắc năng lượng Energy Dispersive X-ray Spectroscopy EDX 6 Than sen - TS 7 Phổ hấp thụ phân tử Ultraviolet Visble UV-Vis 8 - American Water Works Associatien AWWA iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp ..................................................................................... 5 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của TS ............................................................. 36 Bảng 3.2. Kết quả xác định điểm đẳng điện của TS .......................................... 36 Bảng 3.3. Kết quả xác định chỉ số iot của TS ................................................... 37 Bảng 3.4. Kết quả xây dựng đường chuẩn Mn(II) ............................................. 38 Bảng 3.5. Kết quả xây dựng đường chuẩn Fe(III) ............................................. 39 Bảng 3.6. Kết quả so sánh khả năng hấp phụ của NL và TS ............................. 40 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của TS ............................. 41 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của TS .................... 43 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của TS ................. 45 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của TS. .................. 47 Bảng 3.11. Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ Mn(II), Fe(III) của TS .... 49 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của TS ............. 50 Bảng 3.13. Dung lượng hấp phụ cực đại q max và hằng số Langmuir b ............... 52 Bảng 3.14. Khả năng hấp phụ Mn(II) của một số than hoạt tính chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp ................................................................... 53 Bảng 3.15. Nồng độ Mn(II), Fe(III) thoát ra khỏi cột hấp phụ ứng với các tốc độ dòng khác nhau ......................................................................... 54 Bảng 3.16. Kết quả giải hấp Mn(II) bằng EDTA có nồng độ khác nhau ............ 56 Bảng 3.17. Hiệu suất giải hấp Mn(II) ứng với nồng độ EDTA khác nhau ........ 57 Bảng 3.18. Kết quả giải hấp Fe(III) bằng HNO3 có nồng độ khác nhau ............ 58 Bảng 3.19. Hiệu suất giải hấp Fe(III) ứng với nồng độ axit HNO3 khác nhau .. 58 Bảng 3.20. Kết quả xử lý nước thải chứa Mn(II), Fe(III) .................................. 59 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ..........................................................10 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb ....................................................................10 Hình 1.3. Mô hình cột hấp phụ ....................................................................................11 Hình 1.4. Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian .......................................................................................12 Hình 1.5. Hình ảnh hoa sen .........................................................................................18 Hình 3.1a. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu ......................................32 Hình 3.1b. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của TS ....................................................32 Hình 3.2. Phổ hồng ngoại IR của nguyên liệu ............................................................34 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại IR của Than sen .................................................................35 Hình 3.4. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của TS.......................................................37 Hình 3.5. Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ iot của TS ...............................................38 Hình 3.6. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) .............................................39 Hình 3.7. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III) .............................................39 Hình 3.8. Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của NL và TS .......................................40 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Mn(II) của TS ......41 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Fe(III) của TS .........................................................................................................42 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ Mn(II) của TS .............................................................................................44 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ Fe(III) của TS .............................................................................................44 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng TS đến hiệu suất hấp phụ Mn(II) .........................................................................................................46 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng TS đến hiệu suất hấp phụ Fe(III) .........................................................................................................46 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ Mn(II) .........................................................................................................48 vi
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ Fe(III) .........................................................................................................48 Hình 3.17a. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKc vào 1/T của Mn(II) ...................49 Hình 3.17b. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnKc vào 1/T của Fe(III) ...................49 Hình 3.18. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Mn(II) .....51 Hình 3.19. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu của Fe(III) ......51 Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TS đối với Mn(II). ..................51 Hình 3.21. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Mn(II) ...........................................51 Hình 3.22. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TS đối với Fe(III) ...................52 Hình 3.23. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với Fe(III) ...........................................52 Hình 3.24. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Mn(II).......................55 Hình 3.25. Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Fe(III) .......................55 Hình 3.26. Ảnh hưởng của nồng độ EDTA đến khả năng giải hấp Mn(II) .................57 Hình 3.27. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng giải hấp Fe(III) ......................59 vii
MỞ ĐẦU Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, không những ở thành thị mà cả ở nông thôn. Những khu công nghiệp, cụm điểm công nghiệp ngày càng nhiều, những khu đô thị mới hiện đại mọc lên, sản xuất hàng hóa, chế biến nông sản, thực phẩm ngày càng trở nên sôi động. Quá trình này đã đem lại những thành tựu to lớn cho đất nước, song kéo theo đó là vấn đề môi trường tự nhiên bị ô nhiễm nặng, gây tác động xấu đến sản xuất và đời sống con người. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người. Tuy nhiên với tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hoá phát triển cùng sự gia tăng dân số cũng là nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng. Ở nước ta hiện nay, nước thải ở một số khu công nghiệp chỉ được xử lý sơ bộ, thậm chí chưa qua xử lý đã được thải ra môi trường. Trong nước thải có chứa nhiều các chất độc hại là các chất hữu cơ hay các ion kim loại nặng như: Mn(II), Pb(II), Fe(III), Ni(II)…Khi nồng độ của các ion này vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Vì Vậy việc tìm ra các biện pháp xử lý nhằm loại bỏ các thành phần độc hại ra khỏi nguồn nước đã và đang là vấn đề được quan tâm. Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng để tách loại các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước. Trong đó việc tận dụng các phụ phẩm công, nông nghiệp để làm vật liệu hấp phụ xử lý môi trường nước là phương pháp được nhiều nhà khoa học quan tâm. Như chúng ta đã biết hình ảnh hoa sen gắn liền với nét bình dị, dân dã nơi thôn quê, là biểu hiện của cốt cách tinh thần và ý chí vươn lên trước mọi khó khăn gian khổ của người Việt. Không chỉ mang ý nghĩa tinh thần, cây sen còn mang lại các giá trị kinh tế cho người dân như: lá sen, hạt sen, ngó sen dùng để chế biến thành thực phẩm hay thuốc đông y…Tuy nhiên sau mỗi mùa thu hoạch một số bộ phận cây sen lại bị loại bỏ, để có thể khai thác hiệu quả giá trị sử dụng của cây sen chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cây sen và thử nghiệm xử lý môi trường” Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ cây sen. 1
- Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR). - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. - Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Mn(II), Fe(III) của vật liệu hấp phụ chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột. - Thử khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ đối với mẫu nước thải thực chứa Mn(II), Fe(III) theo phương pháp hấp phụ tĩnh. 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về tình trạng ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị. Tại các thành phố lớn, lượng nước thải chưa qua xử lý của hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp xả thẳng ra môi trường là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước. Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũng không ngừng gia tăng. Theo thống kê, có 76% số dân đang sinh sống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc chưa được xử lý nên thấm xuống đất hoặc rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng tăng. Bên cạnh đó, tình trạng ô nhiễm do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người cũng như đối với hệ sinh thái. Kim loại nặng và độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp, các kim loại nặng nói chung rất khó loại bỏ bằng các biện pháp xử lý nước thông thường và nếu chúng xâm nhập vào các nguồn nước sinh hoạt ở ngưỡng cao hơn cho phép sẽ gây nên những hậu quả nghiêm trọng như tỉ lệ người mắc các bệnh cấp và mãn tính liên quan đến ô nhiễm nước như viêm da tiêu hóa, tiêu chảy và nguy cơ ung thư ngày càng cao. Tại một số địa phương trường hợp bệnh nhân mắc bệnh ung thư, viêm nhiễm chiếm từ 40-50% nguyên nhân là do sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm. Theo đánh giá của các Bộ Y tế và NN&PTNT, trung bình mỗi năm, Việt Nam có khoảng 9.000 người chết vì nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém; trên 100.000 trường hợp mắc ung thư mới phát hiện mà một trong những nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm. Ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt ô nhiễm do kim loại nặng đang gây tổn thất lớn cho sức khỏe con người và cho các ngành sản xuất kinh doanh, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản. 1.2. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng 1.2.1. 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 3
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. 1.2.2. Giới thiệu về mangan và tác dụng sinh hóa của mangan Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạng sống, là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong sinh quyển, chiếm 0,1% trong vỏ trái đất. Trong tự nhiên Mangan tồn tại trong đất, nước, trầm tích và trong các vật chất sinh học khác nhau. Đây là nguyên tố rất cần cho sự phát triển sinh giới. Về mặt dinh dưỡng mangan là một nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày từ 30-50µg/kg thể trọng. Mangan là chất có tác dụng kích thích nhiều loại enzim trong cơ thể, có tác dụng đến sự trao đổi chất canxi và photpho trong cấu tạo xương. Mangan cũng trở thành kim loại có tính độc hại khi được hấp thụ ở nồng độ cao. Với con người, mangan gây ra hội chứng được gọi là “manganism”, gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, bao gồm các triệu chứng như đau đầu, mất ngủ, viêm phổi, run chân tay, đi lại khó khăn, co thắt cơ mặt, tâm thần phân liệt, thậm chí ảo giác. Nó cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thông qua chuỗi thức ăn [10]. 1.2.3. Giới thiệu về sắt và tác dụng sinh hóa của sắt Sắt là kim loại rất phổ biến, chiếm 5% khối lượng vỏ Trái Đất. Trong tự nhiên, người ta chỉ gặp sắt ở trạng thái tự do trong các mảnh thiên thạch. Nhưng hợp chất của sắt tồn tại dưới dạng quặng thì rất phong phú. Nồng độ của sắt trong nước tự nhiên có thể từ 0,5-50mg/L. Sắt còn có thể hiện diện trong nước uống do quá trình keo tụ hóa học bằng hợp chất của sắt do sự ăn mòn trong ống dẫn nước. Sắt là một nguyên tố căn bản trong dinh dưỡng của con người. Nước uống có sự có mặt của sắt sẽ dẫn đến sự thay đổi mùi vị, ngoài ra độc tính của sắt còn dẫn đến 4
những hậu quả như chứng chán ăn, tiểu ít, tiêu chảy, hạ thân nhiệt, thêm vào đó có thể bị tắc nghẽn mạch máu của đường tiêu hóa, não, tim, gan, trên thận và tuyến ức. Trường hợp ngộ độc sắt cấp tính thường xảy ra với gan và hệ tiêu hóa dẫn đến các căn bệnh như xơ gan [26, 34]. 1.2.4. Quy chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT quy định nồng độ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1.1. Giá trị giới hạn nồng độ của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp Giá trị giới hạn Nguyên tố Đơn vị A B Mangan mg/L 0,5 1,0 Sắt mg/L 1,0 5,0 Trong đó: - Cột A quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn nước được dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt; - Cột B quy định giá trị của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt [19]. 1.3. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 1.3.1. Phương pháp kết tủa Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất 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 thiếp theo [2]. 1.3.2. 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 5
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 [1]. 1.3.3. 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 [17]. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ với chất hấp phụ là vật liệu chế tạo từ cây sen để hấp phụ Mn(II) và Fe(III). 1.3.4. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.3.4.1. Các khái niệm - Sự hấp phụ Sự hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - rắn, lỏng - lỏng…). 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. Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta chia hấp phụ thành hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ vật lý là quá trình xảy ra bởi lực VanderWaals giữa phần tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ. Hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, các chất bị hấp phụ có thể dễ dàng bị tách ra khỏi chất hấp phụ khi thay đổi điều kiện hấp phụ. Hấp phụ hoá học là 6
quá trình hấp phụ xảy ra nhờ các lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bị hấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số hệ hấp phụ, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai qua trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [1, 17]. - Giải hấp phụ Giải hấp phụ là sự đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ. Quá trình này dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với qua trình hấp phụ. Đây là phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế. Đối với hấp phụ vật lý để làm giảm khả năng hấp phụ có thể tác động thông qua các yếu tố sau: + Giảm nồng độ chất bị hấp phụ ở dung dịch để thay đổi thế cân bằng hấp phụ. + Tăng nhiệt độ. + Thay đổi bản chất tương tác của hệ thống thông qua thay đổi pH của môi trường. + Sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã hấp phụ trên bề mặt chất rắn. + Sử dụng tác nhân là vi sinh vật. Dựa trên nguyên tắc giải hấp phụ nêu trên, một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ đã được sử dụng: phương pháp nhiệt, phương pháp hoá lý, phương pháp vi sinh [1]. - 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 ở điều kiện xác định về nồng độ và nhiệt độ [17]. Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức: (C o  C cb ).V q (1.1) m Trong đó: q: Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g). V: Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l). m: Khối lượng chất hấp phụ (g). 7
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). - 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 % (1.2) Co 1.3.4.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ * Mô hình động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng- rắn, quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt giai đoạn kế tiếp nhau: - Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch. - Phần tử chất bị hấp phụ chuyển đông tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch tán màng. - 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 phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định [1, 17]. * Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định. Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cách cho một lượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng độ đã biết của chất bị hấp phụ. 8
Với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt hấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt: phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry, Freundlich và Langmuir…[17]. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry: mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ trong pha thể tích ở trạng thái cân bằng: q= K.C (1.6) Trong đó: q: Lượng chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/g). K: Hằng số hấp phụ Henry. C: Nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng bằng hấp phụ (mg/g). Phương trình này chỉ áp dụng trong vùng áp suất hoặc nồng độ không cao. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm mô tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp. Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm số mũ: 1 q  k . Ccbn (1.7) Hoặc dạng phương trình đường thẳng: 1 lg q  lg k  lg C cb n (1.8) Trong đó: k: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác. n: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1. Phương trình Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt tức là ở vùng nồng độ thấp của chất bị hấp phụ. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir là phương trình mô tả cân bằng hấp phụ đầu tiên được thiết lập bằng lí thuyết. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng cho hệ hấp phụ rắn – lỏng có dạng: 9