Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoá học: Nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bẹ chuối để hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) trong môi trường nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của đề tài là chế tạo các VLHP từ bẹ chuối qua xử lý bằng fomandehit, axit stearic, axit sunfuric... Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phổ IR, ảnh chụp SEM. Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo từ bẹ chuối theo phương pháp tĩnh. Cụ thể là các yếu tố: pH, thời gian, nồng độ đầu, khối lượng VLHP. 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 Khoa học Hoá học: Nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bẹ chuối để hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HOÀNG THỊ NHẠN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ BẸ CHUỐI ĐỂ HẤP PHỤ Ni(II), Fe(III), Zn(II) TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ Mã ngành: 60.44.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lê Hữu Thiềng Thái Nguyên - 2015 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: đề tài này là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ các công trình nào khác. Nếu sai sự thật tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015 HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN Tác giả PGS.TS. Lê Hữu Thiềng Hoàng Thị Nhạn XÁC NHẬN CỦA TRƯỞNG KHOA CHUYÊN MÔN PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa học của Trường Đại Học Sư Phạm – Đại Học Thái Nguyên. Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hữu Thiềng, người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá tình học tập và thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng đào tạo trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Hoá học, các cán bộ làm việc tại phòng Nghiên cứu khoa học, phòng thí nghiệm khoa Hoá học trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã góp ý, giúp đỡ tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn cán bộ các phòng máy SEM, phòng máy BET - Viện khoa học Vật liệu, phòng máy IR - Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; khoa xét nghiệm trung tâm y tế dự phòng tỉnh Bắc Kạn; các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh. Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên, ủng hộ, giúp đỡ người thân trong gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015 Tác giả luận văn Hoàng Thị Nhạn Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan ...................................................................................................... Lời cảm ơn .......................................................................................................... Mục lục .............................................................................................................. i Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................ ii Danh mục bảng ................................................................................................ iii Danh mục hình ................................................................................................. iv MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 2 1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm môi trường nước .............................. 2 1.1.1. Tài nguyên nước ............................................................................... 2 1.1.2. Sự ô nhiễm môi trường nước ............................................................ 2 1.2. Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con người ........................................................................................................... 3 1.2.1. Kẽm ................................................................................................... 3 1.2.2. Niken ................................................................................................. 3 1.2.3. Sắt ..................................................................................................... 4 1.3. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ..... 4 1.3.1. Phương pháp kết tủa ......................................................................... 5 1.3.2. Phương pháp trao đổi ion.................................................................. 5 1.3.3. Phương pháp vi sinh ......................................................................... 7 1.3.4. Phương pháp hấp thụ ........................................................................ 8 1.4. Hấp phụ trong môi trường nước ........................................................ 13 1.4.1. Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước .......................... 13 1.4.2 .Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước .................... 14 1.5. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ...................................... 15 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1.6. Giới thiệu về bẹ chuối. ....................................................................... 15 1.6.1. Diện tích và sản lượng chuối .......................................................... 15 1.6.2. Thành ph n chính của bẹ chuối ...................................................... 16 1.7. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm và chất thải nông nghiệp làm VLHP .................................................................................... 17 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ ................... 21 2.1. Dụng cụ và hoá chất .......................................................................... 21 2.1.1. Hoá chất .......................................................................................... 21 2.1.2. Thiết bị và dụng cụ. ........................................................................ 21 2.2. Chế tạo các VLHP từ bẹ chuối. ......................................................... 21 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ...................................................................... 21 2.2.2. Chế tạo VLHP................................................................................. 22 2.3. Xác định đặc trưng bề mặt của các VLHP ........................................ 22 2.3.1. Phổ hồng ngoại (IR)........................................................................ 22 2.3.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM). ............................................ 25 2.4. Xác định điểm đẳng điện của các vật liệu hấp phụ ........................... 26 2.4.1. Xác định điểm đẳng điện của VLHP 1 ........................................... 27 2.4.2. Xác định điểm đẳng điện của VLHP 2 ........................................... 28 2.4.3 . Xác định điểm đẳng điện của VLHP 3 .......................................... 29 2.5. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II), Zn(II), Fe(III) ...... 30 2.6. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) .. 32 2.6.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của NLvà các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) ............................................................................................ 33 2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ........................................................ 35 2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ................................................................... 38 2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) ......................................................... 42 2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ................................................. 46 2.7. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). ..... 53 2.7.1. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II) ............................ 53 2.7.2. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Fe(III) .......................... 61 2.7.3. Động học hấp phụ của các VLHP đối với Zn(II) ........................... 69 KẾT LUẬN.................................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 80 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Optical absorption (Độ hấp thụ quang) AAS Atomic adsorption (Hấp thụ nguyên tử) Brunauer- Emmett-Teller (Phương pháp đo BET diện tích bề mặt riêng) Universal flame atomic adsorption (Phổ hấp F-AAS thụ nguyên tử ngọn lửa) IR Infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại) NL Nguyên liệu pHpzc Điểm đẳng điện Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi SEM điện tử quét) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VLHP Vật liệu hấp phụ Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Diễn biến sản xuất chuối ở Việt Nam ................................................ 16 Bảng 1.2. Thành ph n của bẹ chuối ................................................................... 16 Bảng 2.1. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP1 ................................... 27 Bảng 2.2. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP ..................................... 28 Bảng 2.3. Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP 3.................................. 29 Bảng 2.4. Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa ................................... 30 Bảng 2.5. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Ni(II) .................... 31 Bảng 2.6. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Fe(III) .................. 31 Bảng 2.7. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Zn(II) ................... 32 Bảng 2.8. Khảo sát sự thay đổi tỉ lệ NL: stearic đến dung lượng hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) ............................................................................................... 33 Bảng 2.9. Khảo sát sự thay đổi tỉ lệ NL: fomanđehit đến dung lượng hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) ................................................................................... 34 Bảng 2.10. Khảo sát sự thay đổi tỉ lệ NL: sunfuric đến dung lượng hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) ................................................................................... 34 Bảng 2.11. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ............... 35 của các VLHP đối với Ni(II) .............................................................................. 35 Bảng 2.12. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Fe(III) ................................................................................... 36 Bảng 2.13. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Zn(II) .................................................................................... 38 Bảng 2.14. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II) ................................................................................................ 39 Bảng 2.15. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Fe(III). ............................................................................................. 40 Bảng 2.16. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Zn(II................................................................................................. 41 Bảng 2.17. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II) .................................................................................... 43 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Bảng 2.18. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Fe (III) .................................................................................. 43 Bảng 2.19. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến khả năng hấp phụ của các VLHP đối với Zn (II) ................................................................................... 45 Bảng 2.20. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của VLHP1 đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) .......................................................... 46 Bảng 2.21. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của các VLHP2 đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II) .......................................................... 48 Bảng 2.22. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đ u đến khả năng hấp phụ của VLHP3 đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II ........................................................... 50 Bảng 2.23. Dung lượng cực đại và hằng số Langmuir. ...................................... 53 Bảng 2.24. Số liệu khảo sát động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II) .. 53 Bảng 2.25. Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 của các VLHP đối với Ni(II) ............................................................................................................ 58 Bảng 2.26. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 của các VLHP đối với Ni(II) ............................................................................................................ 60 Bảng 2.27. Số liệu khảo sát động học hấp phụ của các VLHP đối với Fe(III) . 61 Bảng 2.28: Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 của các VLHP đối với Fe(III) ........................................................................................................... 66 Bảng 2.29. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 của các VLHP đối với Fe(III) ........................................................................................................... 68 Bảng 2.30. Số liệu khảo sát động học hấp phụ của các VLHP .......................... 69 đối với Zn(II) ...................................................................................................... 69 Bảng 2.31. Một số tham số động học hấp phụ bậc 1 của các VLHP đối với Zn(II) ............................................................................................................ 74 Bảng 2.32. Một số tham số động học hấp phụ bậc 2 của các VLHP đối với Zn(II) ............................................................................................................ 76 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 2.1. Phổ IR của nguyên liệu....................................................................... 23 Hình 2.2 Phổ IR của VLHP1 .............................................................................. 23 Hình 2.3. Phổ IR của VLHP2 ............................................................................. 24 Hình 2.4. Phổ IR của VLHP3 ............................................................................. 24 Hình 2.5. Ảnh SEM của NL(a), VLHP1(b), VLHP2(c). ................................... 26 Hình 2.6. Ảnh SEM của NL (a); VLHP3 (b). .................................................... 26 Hình 2.7. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP 1..................................... 28 Hình 2.8. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP2...................................... 29 Hình 2.9. Đồ thị xác định điểm đẳng điện của VLHP3...................................... 30 Hình 2.10. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ................................... 31 Hình 2.11: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Fe(III).................................. 32 Hình 2.12. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Zn(II)................................... 32 Hình 2.13.Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với sự hấp phụ Ni(II) ..................................................................................................... 36 Hình 2.14. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với sự hấp phụ Fe(III) .................................................................................................... 37 Hình 2.15. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với sự hấp phụ Zn(II) ..................................................................................................... 38 Hình 2.16. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH đối với sự hấp phụ Ni(II) ............................................................................................................ 40 Hình 2.17. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH đối với sự hấp phụ Fe(III). .......................................................................................................... 41 Hình 2.18 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH đối với sự hấp phụ Zn(II) ............................................................................................................ 42 Hình 2.19. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP đối với sự hấp phụ Ni(II).......................................................................................... 43 Hình 2.20. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP đối với sự hấp phụ Fe(III) ........................................................................................ 44 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Hình 2.21. Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào khối lượng VLHP đối với sự hấp phụ Zn (II) ........................................................................................ 45 Hình 2.22. (a). Đường đẳng nhiệt hấp phụLangmuir của VLHP1 đối với Ni(II) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni(II) ............................................. 47 Hình 2.23. (a). Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP1 đối với Fe(III) (b). Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Fe(III) .......................................... 47 Hình 2.24. (a). Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP1 đối với Zn(II) b). Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Zn(II)............................................. 48 Hình 2.25.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với Ni(II) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni (II) ............................................ 49 Hình 2.26. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với Fe(III) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Fe(III) ........................................... 49 Hình 2.27. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP2 đối với Zn(II) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Zn(II) ............................................ 50 Hình 2.28. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP3 đối với Ni(II) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni(II) ............................................. 51 Hình 2.29.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP3 đối với Fe(III) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Fe(III) ........................................... 51 Hình 2.30. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụLangmuir của VLHP3 đối với Zn(II) (b) Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Zn(II) ............................................ 52 Hình 2.31. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP1 đối với Ni(II) ................................................................................................ 57 Hình 2.32. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP2 đối với Ni(II). ............................................................................................... 57 Hình 2.33. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP3 đối với Ni(II). ............................................................................................... 58 Hình 2.34. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP1 đối với Ni(II) ................................................................................................ 59 Hình 2.35. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP2 đối với Ni(II) ................................................................................................ 59 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
Hình 2.36. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP3 đối với Ni(II) ................................................................................................ 60 Hình 2.37. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP1 đối với Fe(III) .............................................................................................. 64 Hình 2.38. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP2 đối với Fe(III) .............................................................................................. 65 Hình 2.39. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP3 đối với Fe(III) .............................................................................................. 66 Hình 2.40. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP1 đối với Fe(III) .............................................................................................. 67 Hình 2.41. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP2 đối với Fe(III) .............................................................................................. 67 Hình 2.42. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP3 đối với Fe(III) .............................................................................................. 68 Hình 2.43. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP1 đối với Zn(II) ............................................................................................... 73 Hình 2.44. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP2 đối với Zn(II) ............................................................................................... 73 Hình 2.45. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 1 của VLHP3 đối với Zn(II) ............................................................................................... 74 Hình 2.46. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP1 đối với Zn(II) ............................................................................................... 75 Hình 2.47. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP2 đối với Zn(II) ............................................................................................... 76 Hình 2.48. Đồ thị biểu diễn phương trình động học hấp phụ bậc 2 của VLHP3 đối với Zn(II) ............................................................................................... 76 Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên quý giá, là chất liên quan trực tiếp đến sự sống trên trái đất. Một vài thập niên trở lại đây, do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kinh tế và sức sản xuất nhằm đáp ứng sự bùng nổ của dân số, lượng nước dùng cho sinh hoạt, sản xuất tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, chính sự phát triển đó đã kéo theo sự ô nhiễm nguồn nước. Một trong các tác nhân gây ô nhiễm môi trường nước là các kim loại nặng. 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. Một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm hiện nay là sử dụng các VLHP có nguồn gốc thực vật để tách kim loại ra khỏi môi trường nước. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có và không đưa thêm vào môi trường các tác nhân độc hại khác. Một trong các nguồn nguyên liệu sẵn có ở nước ta là bẹ chuối rất thích hợp cho việc nghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp phụ để tách loại các ion kim loại nặng. Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ từ bẹ chuối để hấp phụ Ni(II), Fe(III), Zn(II) trong môi trường nước”. Thực hiện đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo các VLHP từ bẹ chuối qua xử lý bằng fomandehit, axit stearic, axit sunfuric… - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phổ IR, ảnh chụp SEM. - Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo từ bẹ chuối theo phương pháp tĩnh. Cụ thể là các yếu tố: pH, thời gian, nồng độ đ u, khối lượng VLHP. - Khảo sát động học hấp phụ của các VLHP đối với Ni(II), Fe(III), Zn(II). Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 1 http://www.lrc.tnu.edu.vn
Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm môi trường nước 1.1.1. Tài nguyên nước Nước là thành ph n của sinh quyển, là tài nguyên quan trọng nhất của loài người và sinh vật trên trái đất. Nước đóng vai trò điều hoà các yếu tố của khí hậu, đất đai và sinh vật thông qua chu trình vận động của nó. Nước là tài nguyên quý giá, đáp ứng nhu c u đa dạng của con người trong sinh hoạt hàng ngày, trong nông nghiệp và trong sản xuất công nghiệp như: tạo ra điện năng, nhiều danh lam thắng cảnh hùng vĩ, nuôi trồng thuỷ sản, sản xuất lương thực. Nước bao phủ 71% diện tích của trái đất, trong đó có 97% là nước mặn còn 3% là nước ngọt. Nhưng trên thực tế, trong 3% nước ngọt thì 3/4 lượng nước ngọt đó là con người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, hoặc bị đóng băng, hoặc ở dưới dạng hơi.., chỉ có 0,5% nước ngọt hiện diện trong sông, hồ, ao, suối mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên bên cạnh đó, nguồn nước còn bị ô nhiễm do các hoạt động của con người. Do vậy, trên thực tế, nước để đáp ứng nhu c u của con người chiếm tỉ lệ không đáng kể [11]. 1.1.2. Sự ô nhiễm môi trường nước Nước tự nhiên là nước được hình thành của quá trình tự nhiên, không có tác động của nhân sinh. Do tác động của nhân sinh, nước tự nhiên bị ô nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nước, làm cho nguồn nước trở nên độc hại với con người và sinh vật. Các khuynh hướng làm thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh hưởng hoạt động của con người [4], [5]. - Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển, tăng hàm lượng SO42-, NO3- trong nước. - Tăng hàm lượng của Ca, Mg, Si trong nước ng m và nước sông do mưa hoà tan, phong hoá cacbonat. - Tăng hàm lượng các kim loại nặng trong nước tự nhiên như: Pb, Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 2 http://www.lrc.tnu.edu.vn
Cd, Fe, Zn… - Giảm nồng độ oxi hoà tan trong nước tự nhiên do quá trình oxi hoá có liên quan đến quá trình sống của sinh vật, các nguồn chứa nước và khoáng hoá các hợp chất hữu cơ… [11]. 1.2. Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khoẻ con người Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng c n thiết cho cơ thể người nhưng khi chúng tồn tại ở dạng ion và với nồng độ lớn, khi đi vào cơ thể người thì chúng lại có độc tính cao [3], [15]. 1.2.1. Kẽm Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 23 trong vỏ trái đất. Kẽm tồn tại trong các loại chất phổ biến là sphalenit, blen đỏ, calamin. Kẽm là nguyên tố thiết yếu đối với cơ thể, toàn cơ thể chứa khoảng 2 - 2,5 gam kẽm, g n bằng lượng sắt, gấp 20 l n lượng đồng trong cơ thể. Chính vì vậy kẽm đóng vai trò sinh học không thể thiếu đối với sức khoẻ con người. Sự thiếu hụt kẽm trong cơ thể sẽ gây ra các triệu chứng như bệnh liệt dương, teo tinh hoàn, mù màu, viêm da, bệnh về gan [4], [15]… Nhưng nếu dư thừa, kẽm còn có khả năng gây ra ung thư đột biến, gây ngộ độc th n kinh, gây độc đến hệ miễn dịch. 1.2.2. Niken Đối với một số gia súc, vi sinh vật, thực vật, niken là một nguyên tố vi lượng. Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hoá chất, luyện kim, điện tử… Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể chủ yếu qua đường hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đ u; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ th n kinh trung ương, gan, thận; còn nếu tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 3 http://www.lrc.tnu.edu.vn
da, xuất hiện dị ứng… [5], [8]. 1.2.3. Sắt Sắt chiếm ít nhất 5% của vỏ Trái đất và là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú. Nước mưa khi ngấm vào lòng đất và các t ng địa chất sẽ hòa tan sắt, từ đó sẽ ngấm vào các nguồn nước ng m, cũng chính là nguồn nước giếng mà hiện tại người dân đang sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó, sắt cũng có thể xâm nhập vào nguồn nước thông qua ống rỉ sét dẫn nước. Sắt hòa tan làm nước có mùi kim loại, khi hàm lượng sắt cao sẽ làm cho nước có vị tanh, màu vàng và đục. Các loại rau xanh được chế biến bằng nước nhiễm sắt sẽ làm mất đi màu sắc hấp dẫn vốn có của nó. Với qu n áo, các vật dụng trong gia đình... tạo ra các vết cáu bẩn, lắng cặn. Vì vậy, sắt được coi là một thứ chất gây ô nhiễm thứ cấp hoặc chất gây mất thẩm mỹ cho nước. Chất sắt là một yếu tố c n thiết cho cơ thể con người, sắt không được coi là nguy hại đến sức khỏe con người ở mức độ vừa phải. Trong thực tế, sắt c n thiết cho sức khỏe vì nó tạo điều kiện vận chuyển oxy trong máu, giải độc gan, kiểm soát tín hiệu dẫn truyền th n kinh… Do đó thiếu sắt sẽ gây ra tình trạng thiếu máu thiếu sắt và ảnh hưởng đến hoạt động chuyển hoá của tế bào do thiếu hụt các men chứa sắt. Ngược lại quá tải sắt trong cơ thể vượt quá giới hạn cũng gây ra ứ đọng sắt tại các mô như tim, gan, tuyến nội tiết... dẫn đến rối loạn tr m trọng chức năng các cơ quan này. [4], [5], [10]. 1.3. Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Một vài thập niên trở lại đây, do sự phát triển của kinh tế và sức sản xuất, lượng nước dùng cho sinh hoạt, sản xuất tăng lên rất nhiều. Để đáp ứng nhu c u nước sinh hoạt và việc xử lý môi trường đòi hỏi phải có những biện pháp xử lý phù hợp đạt hiệu quả cao. Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước thải chứa kim loại nặng như các phương pháp hoá học, hoá lý hay sinh học có thể áp dụng các quá trình xử lý nhằm loại bỏ kim loại nặng trước khi thải vào Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 4 http://www.lrc.tnu.edu.vn
môi trường [12]. 1.3.1. Phương pháp kết tủa Phương pháp này dựa trên phản ứng hoá học giữa chất đưa vào nước thải với kim loại c n tách, ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng. Phương pháp thường được dùng là kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit bằng cách trung hoà đơn giản các chất thải axit. Độ pH kết tủa cực đại của tất cả các kim loại không trùng nhau, tìm một vùng pH tối ưu, giá trị từ 7 – 10,5 tuỳ theo giá trị cực tiểu c n tìm để loại bỏ kim loại mà không gây độc hại. Đối với phương pháp kết tủa kim loại thì pH đóng vai trò rất quan trọng. Khi xử lý c n chọn tác nhân trung hoà và điều chỉnh pH phù hợp. Phương pháp kết tủa hóa học rẻ tiền ứng dụng rộng nhưng hiệu quả không cao, phụ thuộc nhiều yếu tố (nhiệt độ, pH, bản chất kim loại) [5]. 1.3.2. Phương pháp trao đổi ion Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột cationit và anionit. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không làm biến mất hoặc hoà tan. Các ion dương hay âm cố định trên các gốc này đẩy ion cùng dấu có trong dung dịch. Đối với xử lý kim loại hoà tan trong nước thường dùng cơ chế phản ứng thuận nghịch. RmB + mA  mRA + B Phản ứng xảy ra cho tới khi cân bằng được thiết lập. Quá trình gồm các giai đoạn sau: * Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt ngoài của lưới Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 5 http://www.lrc.tnu.edu.vn
biên màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion. Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 6 http://www.lrc.tnu.edu.vn
* Khuyếch tán các ion qua lớp ngoài. * Chuyển ion đã khuyếch tán qua biên giới phân pha vào hạt nhựa trao đổi. * Khuyếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi Ion. * Phản ứng hoá học trao đổi ion A và B. * Khuyếch tán các ion B bên trong hạt trao đổi tới biên giới phân pha. * Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng. * Khuyếch tán các ion B qua màng. * Khuyếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng. * Đặc tính của trao đổi ion: + Sản phẩm không hoà tan trong điều kiện bình thường. + Sản phẩm được gia công hợp cách. + Sự thay đổi trạng thái của trao đổi ion không làm phân huỷ cấu trúc vật liệu. Phương pháp trao đổi ion có ưu điểm là tiến hành ở quy mô lớn và với nhiều loại kim loại khác nhau. Tuy vậy lại tốn nhiều thời gian, tiến hành khá phức tạp do phải hoàn nguyên vật liệu trao đổi, hiệu quả cũng không cao [2]. 1.3.3. Phương pháp vi sinh Biện pháp sinh học sử dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc điểm đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau của vi sinh vật, từ tinh bột, xenlulozơ, cả nguồn d u mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử khác như protein, lipit, cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân... Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, nên sinh khối được tăng lên [2]. Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 7 http://www.lrc.tnu.edu.vn
Biện pháp sinh học để xử lý nước thải có thể làm sạch hoàn toàn các loại nước thải công nghiệp chứa các loại chất bẩn hoà tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy biện pháp này thường dùng sau khi loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi chất thải. 1.3.4. Phương pháp hấp thụ So với các phương pháp khác, phương pháp hấp phụ có nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn. Vật liệu hấp phụ được chế tạo từ nguồn nguyên liệu tự nhiên và các phế thải nông nghiệp sẵn có, dễ kiếm, rẻ tiền, quy trình xử lý đơn giản. Vì vậy, trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp hấp phụ để xử lý nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng. * Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ. Hấp phụ là sự tích luỹ các chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, khí – lỏng, lỏng – rắn, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ. Chất được tích luỹ trên bề mặt gọi là chất hấp phụ. Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta chia làm hai loại hấp phụ: Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hấp phụ vật lí: Là sự hấp phụ gây ra bởi lực Vander Vaals (tương tác yếu) giữa các ph n tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ. Quá trình hấp phụ vật lí là quá trình thuận nghịch. Hấp phụ hoá học: Gây ra bởi các lực liên kết hoá học giữa các ph n tử chất bị hấp phụ với ph n tử chất hấp phụ. Lực liên kết này bền, khó bị phá vỡ. Trong một số hệ hấp phụ, xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ vật lí và hấp phụ hoá học [7], [9]. Cân bằng hấp phụ: Sự hấp phụ là một quá trình thuận nghịch, bên cạnh quá trình hấp phụ còn có quá trình ngược lại gọi là quá trình phản hấp phụ, tức là có sự chuyển các ion hoặc phân tử bị hấp phụ từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch. Sự diễn ra đồng thời hai quá trình ngược chiều nhau dẫn Số hóa bởi trung tâm Học liệu– ĐHTN 8 http://www.lrc.tnu.edu.vn