Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoá học: Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống lá chuối và thử nghiệm xử lí môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. Cụ thể là các yếu tố: Khối lượng VLHP, pH, thời gian đạt cân bằng hấp phụ, sự có mặt của một số ion, nồng độ đầu. 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 khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống lá chuối và thử nghiệm xử lí môi trường

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ------------------------------------ MAI THỊ PHƢƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CUỐNG LÁ CHUỐI VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÍ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu –THÁI NGUYÊN, Đại học Thái Nguyên NĂM 2011 http://www.lrc-tnu.edu.vn
2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ------------------------------------ MAI THỊ PHƢƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CUỐNG LÁ CHUỐI VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÍ MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH : HOÁ PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ HỮU THIỀNG THÁI NGUYÊN, NĂM 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3 LỜI CẢM ƠN 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 trình học tập và thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đại học 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 khoa Hóa học, các cán bộ làm việc tại phòng Nghiên cứu khoa học, phòng thí nghiệm Hóa lí trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã góp ý, giúp đỡ, tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên, ủng hộ, giúp đỡ của những người thân trong gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Thái Nguyên, tháng 08 năm 2011 Tác giả luận văn Mai Thị Phương Thảo Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: đề tài “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống lá chuối và thử nghiệm xử lí 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 08 năm 2011 Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa ……………………………………………………………... Lời cam đoan ……………………………………………………………... i Mục lục ………………………………………………………………….... ii Danh mục các chữ viết tắt ………………………………………………... iv Danh mục các bảng ……………………………………………………..... v Danh mục các hình ……………………………………………………….. vii MỞ ĐẦU ………………………………………………………………… 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN………………………………………………... 3 1.1 Giới thiệu về đối tƣợng xử lý ………………………………………... 3 1.1.1 Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ………………….. 3 1.1.2 Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con người …………………………………………….... 4 1.1.3 Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nước thải chứa ion kim loại nặng………………………………………………. 6 1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ………………………………... 6 1.2.1 Các khái niệm……………………………………………………….. 6 1.2.2 Động học hấp phụ …………………………………………………... 9 1.2.3 Một số mô hì nh đẳng nhiệt hấp phụ cơ bản………………………… 10 1.2.4 Hấp phụ trong môi trường nước ……………………………………. 12 1.2.5 Quá trình hấp phụ động trên cột ……………………………………. 14 1.3 Giới thiệu về phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)……….. 16 1.3.1 Nguyên tắc ………………………………………………………….. 16 1.3.2 Phương pháp đường chuẩn………………………………………….. 16 1.4 Giới thiệu về cuống lá chuối ………………………………………... 17 1.4.1 Năng suất và sản lượng chuối ……………………………………… 17 1.4.2 Thành phần chính của xơ cuống lá chuối…………………………… 18 1.5 Một số hƣớng nghiên cƣ́u sƣ̉ dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP ………………………………………………………….. 19 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM …………………………………………..... 22 2.1 Thiết bị và hóa chất …………………………………………………. 22 2.1.1 Thiết bị ……………………………………………………………... 22 2.1.2 Hoá chất …………………………………………………………….. 22 2.2 Chế tạo VLHP từ cuống lá chuối…………………………………… 22 2.2.1 Quy trình chế tạo VLHP từ cuống lá chuối ………………………… 22 2.2.2 Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và VLHP ……………….. 23 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6 2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm …………………………………………. 25 2.3.1 Phương pháp hấp phụ tĩnh …………………………………………. 25 2.3.2 Phương pháp hấp phụ động ………………………………………… 25 2.4. Các thí nghiệm nghiên cứu ………………………………………… 26 2.4.1 Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)…………………… 26 2.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của NL và VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……………………………….............. 28 2.4.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phương pháp hấp phụ tĩnh .... 28 2.4.4 Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột………………………….... 30 2.4.5 Xử lý thử mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ………………. 31 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……………………………..... 32 3.1 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của NL và VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ………………................. 32 3.2 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phƣơng pháp hấp phụ tĩnh …….. 33 3.2.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ……………….. 33 3.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ………………… 34 3.2.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ………………………………... 36 3.2.4 Kết quả khảo sát cơ chế hấp phụ của VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……………………………………… 38 3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của một số ion đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……………………………………………...... 40 3.2.6 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir…........... 43 3.2.7 Động học hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP.......................... 45 3.3 Kết quả khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) bằng phƣơng pháp hấp phụ động trên cột …. 50 3.3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng ……………………… 50 3.3.2 Kết quả giải hấp thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ………………….. 52 3.4 Tái sử dụng VLHP…………………………………………………... 56 3.5 Kết quả xử lí thử mẫu nƣớc thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……. 59 KẾT LUẬN ……………………………………………………………… 62 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Mật độ quang AAS Phổ hấp thụ nguyên tử BV Bed-Volume FAO Tổ chức lương thực thế giới F-AAS Phổ hấp phụ nguyên tử ngọn lửa IARC Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế IR Phổ hồng ngoại JECFA Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm Nd Notdecter NL Nguyên liệu PA Tinh khiết phân tích SEM Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VLHP Vật liệu hấp phụ WHO Tổ chức y tế thế giới Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp…………………...………………. 6 Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối và phương pháp hạn chế chúng………………………………... 15 Bảng 1.3: Diễn biến sản xuất chuối ở Việt Nam………………………….. 18 Bảng 1.4: Thành phần chính của xơ cuống lá chuối ……………………... 18 Bảng 2.1: Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa của các nguyên tố Cu, Ni, Cr …………………………………. 26 Bảng 2.2: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cu(II) ………….. 27 Bảng 2.3: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Ni(II) …………... 27 Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cr(VI) …………. 27 Bảng 3.1: Các thông số hấp phụ của NL, VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …………………………………. 32 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ………………………………………….............. 33 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …………………………………………. 34 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……. 36 Bảng 3.5: pH và độ dẫn điện riêng của dung dịch Cu(II) trước và sau khi hấp phụ ……………………………………….. 38 Bảng 3.6: pH và độ dẫn điện riêng của dung dịch Ni(II) trước và sau khi hấp phụ ……………………………………….. 38 Bảng 3.7: pH và độ dẫn điện riêng của dung dịch Cr(IV) trước và sau khi hấp phụ ……………………………………….. 38 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của Na+, Ca2+ tới sự hấp phụ Cu(II), Ni(II) ………. 40 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của NO3- , SO42- tới sự hấp phụ Cr(VI) ………......... 41 Bảng 3.10: Các thông số hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP ……... 43 Bảng 3.11: Dung lượng cực đại và hằng số Langmuir …………………… 45 Bảng 3.12: Các thông số hấp phụ của Cu(II) …………………………….. 45 Bảng 3.13: Các thông số hấp phụ của Ni(II) ……………………………... 46 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9 Bảng 3.14: Các thông số hấp phụ của Cr(VI) ……………………………. 47 Bảng 3.15: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 1 đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …………………………………. 48 Bảng 3.16: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 2 đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …………………………………. 49 Bảng 3.17: Nồng độ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) sau khi ra khỏi cột hấp phụ ứng với các tốc độ dòng khác nhau …………………………… 50 Bảng 3.18: Kết quả giải hấp Cu(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl khác nhau…………………………………………………….... 52 Bảng 3.19: Hiệu suất giải hấp Cu(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl khác nhau………………………………………………..... 53 Bảng 3.20: Kết quả giải hấp Ni(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl khác nhau…………………………………………………….... 53 Bảng 3.21: Hiệu suất giải hấp Ni(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl khác nhau………………………………………………..... 53 Bảng 3.22: Kết quả giải hấp Cr(VI) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl khác nhau…………………………………………………….... 54 Bảng 3.23: Hiệu suất giải hấp Cr(VI) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl khác nhau………………………………………………..... 54 Bảng 3.24: Khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP mới và VLHP tái sinh ……………………………..... 56 Bảng 3.25: Hiệu suất hấp phụ Cu(II), Ni(II) và Cr(VI) ứng với VLHP mới, VLHP tái sinh lần 1 và VLHP tái sinh lần 2 …….. 57 Bảng 3.26: Kết quả tách loại Cu(II), Ni(II), Cr(VI) khỏi nước thải theo phương pháp hấp phụ tĩnh ……………………………….. 59 Bảng 3.27: Kết quả tách loại Cu(II), Ni(II), Cr(VI) khỏi nước thải theo phương pháp hấp phụ động ……………………………… 60 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
10 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Mô hình cột hấp phụ ………………………………………….. 14 Hình 1.2: Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ tại điểm cuối của cột hấp phụ theo thời gian ……………………. 16 Hình 2.1: Phản ứng este hóa xenlulozơ bằng axit xitric ………………… 23 Hình 2.2: Phổ IR của NL …..……………………………………............. 24 Hình 2.3: Phổ IR của VLHP …………………………………………….. 24 Hình 2.4: Ảnh chụp SEM của NL ……………………………………..... 25 Hình 2.5: Ảnh chụp SEM của VLHP …………………………………… 25 Hình 2.6: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Cu(II) ………………… 27 Hình 2.7: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ………………… 27 Hình 2.8: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ………………... 27 Hình 3.1: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI)…..……………………………………............... 33 Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……………………………………..………….. 35 Hình 3.3: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …… 36 Hình 3.4: Ảnh hưởng của Na+, Ca2+ tới sự hấp phụ Cu(II)...........………. 40 Hình 3.5: Ảnh hưởng của Na+, Ca2+ tới sự hấp phụ Ni(II)……............…. 41 Hình 3.6: Ảnh hưởng của NO3-, SO42- tới sự hấp phụ Cr(VI) ………… 42 Hình 3.7: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cu(II)..... 44 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cu(II) ………………........ 44 Hình 3.9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II) .... 44 Hình 3.10: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni(II) ………………….. 44 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
11 Hình 3.11: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr(VI) .. 44 Hình 3.12: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cr(VI) …………………. 44 Hình 3.13: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b) đối với Cu(II) ……………………………………………….. 46 Hình 3.14: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b) đối với Ni(II) ………………………………………………... 47 Hình 3.15: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b) đối với Cr(VI) ………………………………………………. 48 Hình 3.16: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Cu(II) …. 51 Hình 3.17: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni(II) …... 51 Hình 3.18: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) ….. 51 Hình 3.19: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Cu(II) trên VLHP ………………………………………................... 55 Hình 3.20: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Ni(II) trên VLHP ………………………………………................... 55 Hình 3.21: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Cr(VI) trên VLHP ……………………………………….......................... 55 Hình 3.22: Đường cong thoát của Cu(II) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ………………………………………………………. 57 Hình 3.23: Đường cong thoát của Ni(II) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ………………………………………………………. 58 Hình 3.24: Đường cong thoát của Cr(VI) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ………………………………………………………. 58 Hình 3.25: Đường cong thoát của nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI)... 61 Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
12 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nền công nghiệp thế giới nói chung và nước ta nói riêng phát triển ngày càng nhanh chóng và đạt được nhiều thành tựu rực rỡ. Tuy nhiên sự phát triển đó đã dẫn đến việc tăng cường xả thải các chất độc hại vào môi trường, nhất là môi trường nước. Các hoạt động khai thác mỏ, mạ điện, thuộc da, lọc hóa dầu, luyện kim, dệt nhuộm,…đã tạo ra nguồn ô nhiễm chứa các kim loại nặng như Cu(II), Ni(II), Pb(II), Fe(II), As(III), Cr(VI),… Những kim loại này có ảnh hưởng trực tiếp tới sự biến đổi gen, gây ung thư, gây rối loạn hoạt động của gan, thận, não, hệ thần kinh trung ương của con người,…cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường và hệ sinh thái [16], [22]. Đối với những nước đang phát triển như Việt Nam, qui mô công nghiệp chủ yếu ở mức vừa và nhỏ, nên phần lớn các nhà máy, xí nghiệp có hệ thống xử lí nước thải lạc hậu hoặc không có. Vì vậy, ngoài việc yêu cầu các nhà máy, xí nghiệp nâng cấp hệ thống xử lí nước thải, thì việc tìm ra các qui trình xử lí nguồn nước bị ô nhiễm nói chung và nguồn nước bị ô nhiễm bởi kim loại nặng nói riêng đang là vấn đề cấp thiết được toàn xã hội quan tâm. Hiện nay, có nhiều phương pháp tách các kim loại nặng trong môi trường nước như: phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp kết tủa hóa học, thẩm thấu ngược,…Trong các phương pháp này, phương pháp kết tủa là kinh tế nhất nhưng lại không hiệu quả đối với các dung dịch loãng. Phương pháp trao đổi ion, thẩm thấu ngược cũng cho hiệu quả cao nhưng lại khó bảo trì và chi phí vận hành cao. Phương pháp hấp phụ là phương pháp sử dụng sinh khối để tách các kim loại có trong nước thải, phương pháp này đang được đánh giá là giải pháp đầy tiềm năng, mà trong đó phương pháp hấp phụ bằng vật liệu chế tạo từ các phụ phẩm nông nghiệp đang được mở rộng nghiên cứu và phát triển, bởi: quy trình đơn giản, chi phí thấp, hiệu quả cao, tận dụng được nguồn phụ phẩm nông nghiệp, không đưa thêm các chất độc hại vào môi trường, dễ dàng giải hấp thu hồi ion kim loại và tái sử dụng Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
13 vật liệu [17]. Việt Nam là một nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào, phong phú. Theo thống kê thì nước ta là một trong bốn nước có diện tích cây ăn quả lớn nhất Đông Nam Á. Trong đó, cây chuối có diện tích và sản lượng lớn nhất, vì vậy lượng cuống lá chuối thải ra là rất lớn [20]. Mặt khác, một số kết quả phân tích đã chỉ ra rằng thành phần chính của cuống lá chuối gồm có các polyme như xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin,…[27]. Các polyme này chứa các nhóm như hydroxyl, cacbonyl, cacboxyl,…là những thành phần có khả năng hấp phụ, trao đổi ion [16], [22], [25]. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống lá chuối và thử nghiệm xử lí môi trường ”. Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) từ cuống lá chuối. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của cuống lá chuối trước và sau khi biến tính bằng phổ hồng ngoại (IR) và ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM). - Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh. Cụ thể là các yếu tố: Khối lượng VLHP, pH, thời gian đạt cân bằng hấp phụ, sự có mặt của một số ion, nồng độ đầu. - Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột. - Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP. - Sử dụng VLHP chế tạo được thử xử lý mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI). Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
14 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.2 Giới thiệu về đối tƣợng xử lý 1.1.1 Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng, nó cần thiết cho sự tồn tại của mọi sinh vật. Tuy nhiên, hiện nay, tài nguyên nước nói chung và nguồn nước sạch nói riêng đang ngày càng cạn kiệt bởi tác động của con người. Trong những năm gần đây, tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa ở nước ta diễn ra khá nhanh chóng nhưng vấn đề về môi trường lại chưa được quan tâm và đầu tư đúng mức. Nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất, khai thác mỏ,…không có hệ thống xử lí rác thải hoặc có nhưng lạc hậu, xử lí kém hiệu quả. Do đó lượng các chất thải độc hại, đặc biệt là các kim loại nặng vẫn đổ ra môi trường ngày càng tăng. Khi thải ra môi trường, một số hợp chất kim loại nặng tích tụ lại trong đất, một số có thể bị hòa tan dưới tác động của nhiều yếu tố như độ chua của đất, nước mưa. Điều này càng tạo điều kiện để các kim loại nặng phát tán vào môi trường nước nhanh và rộng. Theo số liệu phân tích thống kê cho thấy, hàm lượng các kim loại nặng trong môi trường nước gần các khu công nghiệp hầu hết đều xấp xỉ hoặc vượt quá giới hạn cho phép [2], [4], [5]. Ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh phần lớn nước thải sinh hoạt, thậm chí cả rác thải rắn từ các khu dân cư, các cơ sở y tế, cơ quan, trường học,…không qua hệ thống xử lí mà xả trực tiếp ra kênh, mương, sông, hồ,… khiến cho nhiều con sông như sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sài Gòn,…đã trở thành những con sông chết [5]. Xét về tốc độ lan truyền và quy mô ảnh hưởng thì ô nhiễm nước là vấn đề đáng lo ngại hơn so với ô nhiễm đất. Do đó, sự ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là nguồn nước ô nhiễm các kim loại nặng đã và đang là vấn đề được cả thế Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
15 giới quan tâm và tìm biện pháp khắc phục, giảm thiểu bởi ảnh hưởng độc hại lâu dài của nó tới hệ sinh thái và sức khỏe con người. 1.1.2 Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con người Một số kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bì nh thường của con người. Tuy nhiên, phần lớn các kim loại nặng có tácđộng tiêu cực tới sức khỏe con người và môi trường sinh thái . Các kim loại nặng như Pb, As, Cd, Hg, Cu, Ni, Cr, Fe,...thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của sinh vật mà tích lũy trong cơ thể chúng và theo chuỗi thức ăn thâm nhập vào cơ thể người. Khi đó, các kim loại nặng sẽ tác động đến các quá trì nh sinh hóa của cơ thể, bởi chúng có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhó m enzym, làm các enzym bị mất hoạt tính , cản trở quá trình tổ ng hợp protein [3]. Dưới đây là ảnh hưởng cụ thể của một số kim loại nặng: Tác dụng sinh hoá của đồng Đồng là một nguyên tố có tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt nên nó là một trong những kim loại chủ yếu của kỹ thuật điện. Đồng được sử dụng nhiều để sản xuất mô tơ điện, động cơ điện, máy thu thanh, vô tuyến truyền hình, các thiết bị điện tử phức tạp,…Ngoài ra đồng còn là nguyên tố vi lượng cần thiết đối với động vật và thực vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra quả và có thể bị chết. Ở cơ thể người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó làm các mô xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược,…Tuy nhiên, ở cơ thể người, thừa đồng cũng rất nguy hiểm vì nó là một trong những yếu tố gây các bệnh về gan, thận, nội tiết, thần kinh,… Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
16 Năm 1982, JECFA (Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm) đã đề nghị giá trị tạm thời cho lượng đồng đưa vào cơ thể người có thể chịu đựng được là 0,5 mg/kg thể trọng/ngày [2], [12], [15]. Tác dụng sinh hoá của niken Niken được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, điện tử, luyện kim, mạ điện, sản xuất thuỷ tinh, gốm, sứ,… Niken được tìm thấy trong các chất sa lắng, trầm tí ch, trong thuỷ hải sản và một số thực vật. Với cơ thể người, khi bị nhiễm độc niken sẽ xuất hiện triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu , khi tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi , hệ thần kinh trung ương, gan, thận, tăng khả năng mắc ưng thư đường hô hấp,…Nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, dị ứng [4]. Tác dụng sinh hoá của crom Crom là nguyên tố tương đối phổ biến trong tự nhiên. Trong công nghiệp, crom chủ yếu được dùng để sản xuất các loại thép đặc biệt như thép không gỉ, thép chịu nhiệt,…Ngoài ra, vì có màu sắc đẹp nên crom và nhiều hợp chất của crom được dùng trong công nghiệp sản xuất thủy tinh, đồ gốm, dệt, hội họa, thuộc da,… Crom còn là nguyên tố vi lượng cần thiết cho một số quá trình sinh học của cơ thể như: chuyển hoá glucozơ, vitamin,…Tuy nhiên, phần lớn các hợp chất của crom lại độc đối với con người, đặc biệt là Cr(VI). Các hợp chất Cr(VI) có thể gây viêm loét da, mụn cơm, viêm gan, viêm thận, thủng vách ngăn lá mía, ung thư phổi,…Theo IARC (Cơ quan nghiên cứu ung thư Quốc tế) đã xếp Cr(VI) vào nhóm 1- nhóm tác nhân chắc chắn gây ung thư ở người [2], [12], [15]. Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
17 1.1.3 Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nước thải chứa ion kim loại nặng TCVN 5945 : 2005 quy đị nh nồng độ của ion kim loại trong nước thải công nghiệp như sau: Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm trong nƣớc thải công nghiệp Giá trị giới hạn Nguyên tố Đơn vị A B C Đồng mg/l 2,000 2,000 5,000 Niken mg/l 0,200 0,500 2,000 Crom (VI) mg/l 0,050 0,100 0,500 Trong đó: Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm bằng hoặc nhỏ hơn giá trị trong cột A có thể đổ vào các vực nước thường được dùng làm nguồn nước cho mục đích sinh hoạt. Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm lớn hơn giá trị trong cột A nhưng nhỏ hơn hoặc bằng giá trị trong cột B thì được đổ vào các vực nước nhận thải khác, như: các vực nước dùng cho giao thông, thủy lợi, trồng trọt, nuôi trồng thủy hải sản,…trừ các thủy vực qui định ở cột A. Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm lớn hơn giá trị trong cột B nhưng không vượt quá giá trị trong cột C chỉ được phép thải vào các nơi được qui định (như hồ chứa nước thải được xây riêng, cống dẫn đến nhà máy xử lý nước thải tập trung,…) [13]. 1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp hấp phụ 1.2.1 Các khái niệm Sự hấp phụ Hấp phụ là sự tí ch lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn, lỏng- rắn, khí-lỏng, lỏng-lỏng). Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
18 Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần t ử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha thể tí ch đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ . Thông thường quá trì nh hấp phụ là quá trì nh toả nhiệt. Tuỳ theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ , người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học . Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander Waals (bao gồm các loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), lực liên kết hiđro,…đây là những lực yếu, nên liên kết hình thành không bền, dễ bị phá vỡ. Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao. Hấp phụ hoá học gây ra bởi lực liên kết hoá học (lực liên kết ion, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết phối trí,...) gắn kết những phần tử chất bị hấp phụ với những phần tử của chất hấp phụ thành những hợp chất bề mặt, 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. Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học . Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá trì nh hấp phụ vật lý , khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hoá học tăng lên [6], [8]. Giải hấp phụ Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ . Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ . Giải hấp phụ là phư ơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế. Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ: Phương pháp hóa lý: Có thể thực hiện tại chỗ, ngay trên cột hấp phụ nên tiết kiệm được thời gian, công thoát dỡ, vận chuyển, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn. Phương pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa - khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ. Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
19 Phương pháp nhiệt: Sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp phụ bay hơi hoặc sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi. Phương pháp vi sinh: là phương pháp tái tạo khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ nhờ vi sinh vật [1]. Cân bằng hấp phụ Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch. Khi 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 [6], [8]. 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 v ề nồng độ và nhiệt độ [8]. Dung lượng hấp phụ cân bằng được tính theo công thức: (Co  Ccb ).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 bị hấp phụ (g) 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 Trong đó: H: Hiệu suất của quá trình hấp phụ (%) 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) Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
20 1.2.2 Động học hấp phụ 1.2.2.1 Mô hì nh động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, quá trình động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chí nh sau: - Khuếch tán của các chất bị hấp phụ từ pha lỏng tới bề mặt chất hấp phụ . - Khuếch tán bên trong hạt hấp phụ . - Giai đoạn hấp phụ thực sự : các phần tử bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ. Trong tất cả các giai đoạn đó , giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết đị nh toàn bộ quá trì nh động học hấp phụ . Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm vàđóng vai trò quyết đị nh[1]. 1.2.2.2 Phương trình động học Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất của Lagergren có dạng: dqt  k1 (qe  qt ) (1.3) dt Dạng tích phân của phương trình trên là: k1 log(qe  qt )  log qe  t (1.4) 2,303 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng: dqt  k 2 (q e  q t ) 2 (1.5) dt Dạng tích phân của phương trình này là: t 1 1  2  t (1.6) qt k 2 .q e q e Trong đó: q e , q t là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (mg/g) k 1 , k 2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian -1) và bậc hai (g.mg -1 . thời gian -1) biểu kiến [19], [29]. Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn