Nghiên cứu biến tính tinh bột sắn làm vật liệu hấp phụ ion Cd2+ và Pb2+ trong nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết mô tả việc sử dụng tinh bột sắn biến tính như một chất tạo phức có thể hấp phụ Pb2 + và Cd2 + thông qua quá trình đồng trùng hợp ghép với acrylamid và natri acrylat.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu biến tính tinh bột sắn làm vật liệu hấp phụ ion Cd2+ và Pb2+ trong nước

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH TINH BỘT SẮN LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION Cd2+ VÀ Pb2+ TRONG NƯỚC Bùi Thị Phương Thảo1*, Quản Cẩm Thúy1, Quách Thị Thanh Vân2 1 Khoa Kỹ thuật Phân tích, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì 2 Khoa Công nghệ Hóa học và Môi trường, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì * Email: buiphuongthao84@gmail.com Tóm tắt Tinh bột sắn biến tính được điều chế bằng cách ghép acrylamit và natri acrylat lên xanthate tinh bột, sử dụng kali pesunfat, natri hydro sulfit và N, N – methylenebisacrylamid làm chất liên kết chéo. Tinh bột biến tính này có thể hấp Phụ các ion kim loại nặng như Pb2+ và Cd2+. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ được đánh giá bằng pH và nồng độ của các ion kim loại. Các kết quả đã đạt được các điều kiện tối ưu để hấp phụ Pb2+ và Cd2+ như sau: Khi nồng độ ban đầu của các ion là 10 mg /l, lượng hấp phụ cao nhất của Pb2+ và Cd2+ là 47,11 mg/g và 36,55 mg/g. Cơ chế hấp phụ đã được khảo sát bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi (FTIR), kính hiển vi điện tử quét (SEM). Từ khóa: tinh bột biến tính, hấp phụ, cadimi, chì STUDY ON MODIFICATION OF CASSAVA STARCH AS Cd2+AND Pb2+ ION ADSORBENT MATERIALS IN WATER Abstract A modified starch xanthate was prepared by graft copolymerization of acrylamide and sodium acrylate onto starch xanthate using potassium persulfate and sodium hydrogen sulfite initiating system and N,N - methylenebisacrylamide as a cross-linker. It can effectively absorb heavy metal ions (Pb2+ và Cd2+). Factors that can influence absorbency were investigated, such as the pH, and the concentration of metal ions. Results were reached and conclusion was drawn that the best synthetic conditions for the polymer adsorbing Pb2+ và Cd2+). were as follows: When the initial concentration of ions was 10 mg/L, the highest quantities of adsorption of Pb2+ and Cd2+ were 47.11 mg/g and 36.55 mg/g. Adsorption mechanism was discussed by using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscope (SEM). Keywords: modified starch, adsorption, cadmi, lead 1. GIỚI THIỆU Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước đã và đang là vấn đề ngày càng được quan tâm. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu là nước thải công nghiệp từ việc khai khoáng, gia công kim loại, thuộc da, dược phẩm, thuốc trừ sâu, hóa chất hữu cơ, cao su và nhựa, gỗ và các sản phẩm từ gỗ [1, 2]. Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học như các chất ô nhiễm hữu cơ và không thể bị phân hủy bởi môi trường mà chỉ 110
có thể bị pha loãng hoặc thay đổi dạng tồn tại [3, 4]. Sự tích lũy kim loại nặng tác động đến đời sống của các sinh vật, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người thông qua chuỗi thức ăn. Một số phương pháp đã được sử dụng và phát triển để loại bỏ các kim loại trong nước như kết tủa hóa học, thẩm thấu ngược, màng lọc, trao đổi ion và hấp phụ [2, 3, 5]. Trong đó, hấp phụ là phương pháp thường được sử dụng nhất do có nhiều ưu điểm: đơn giản, hiệu quả, chi phí xử lý thấp. Nhiều vật liệu hấp phụ khác nhau đã được sử dụng như silica gel, chitosan, zeolit, mùn cưa, tro bay,… tuy nhiên chưa đạt được hiệu quả mong muốn. Vì vậy, việc nghiên cứu, khảo sát tìm vật liệu xử lý các kim loại nặng độc hại trong nước một cách có hiệu quả, thân thiện hơn với môi trường là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cần thiết. Chất hấp phụ trên cơ sở tinh bột đang ngày càng tăng chú ý vì tinh bột dồi dào, có thể tái tạo và có thể phân hủy sinh học. Tuy nhiên, bản chất ưa nước của tinh bột là một yếu tố chính nhược điểm làm hạn chế sự phát triển của các liên kết trên tinh bột [6]. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng một số tinh bột biến tính có hiệu quả trong việc loại bỏ các kim loại nặng từ nước. Ví dụ, Kweon và cộng sự [7] đã khảo sát sự hấp phụ của các ion kim loại hóa trị hai bằng cách tách và oxy hóa tinh bột ngô. Xu và cộng sự [8] đã nghiên cứu quá trình hấp phụ của Pb2+ bởi tinh bột lưỡng tính liên kết chéo với bậc bốn nhóm amoni và cacboxymetyl. Popuri và cộng sự [9] đã khảo sát copolyme ghép tinh bột liên kết ngang có chứa nhóm amin làm chất hấp phụ cho Pb2 + và Cd2 + . Trong nghiên cứu này, chúng tôi mô tả việc sử dụng tinh bột sắn biến tính như một chất tạo phức có thể hấp phụ Pb2 + và Cd2 + thông qua quá trình đồng trùng hợp ghép với acrylamid và natri acrylat 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất, dụng cụ Tinh bột sắn, cacbon disulfua, etanol tuyệt đối, natri hydroxit, axit acrylic, acrylamid, kali pesunphat, natri bisunfit, methylenbisacrylamid, natri acrylat. Dung dịch ion kim loại (Cd2+ và Pb2+) được chuẩn bị từ các dung dịch chuẩn 1000 mg/l bằng cách pha loãng thích hợp với dung dịch đệm axetat 0,1M (pH 4,5). Nước đề ion được sử dụng trong suốt quá trình. Dung dịch đệm axetat 0,1 M (pH 4,5) được pha bằng cách trộn một lượng thích hợp CH3COOH và CH3COONa. Máy khuấy; Cân phân tích; Tủ sấy; Máy lọc hút chân; Cốc 250 mlBình định mức các loại 100ml, 250 ml, 500mlPipet các loại; Cối nghiền mẫu; Rây số 60. 2.2. Điều chế tinh bột biến tính Phân tán 5,0000 g tinh bột sắn trong 25 ml dung dịch natri hydroxit 1,4% ở nhiệt độ phòng. Thêm 3,5 ml cacbon đisunfua, thêm từ từ etanol đến khi xuất hiện kết tủa, khuấy 111
2 giờ ở 30oC. Lọc kết tủa, sấy chân không ở 40oC trong 2 ngày. Sản phẩm thu được là tinh bột xanthat, đem nghiền nhỏ và sàng qua rây số 60. Cân 2,5000 g tinh bột xanthat, thêm 50ml nước cất, khuấy 15 phút, thêm 40 ml natri acrylat và acrylamid, khuấy 5 phút, thêm 20 ml dung dịch kali pesunphat (20 mg/ml), N, N-methylenebisacrylamid, đun nóng. Sản phẩm thu được làm khô ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ, nghiền nhỏ thành bột tiến hành thí nghiệm tiếp theo. 2.3. Hấp phụ kim loại và phân tích định lượng Dung dịch ion Pb2+ (Pb 10 mg/l) và Cd2 + (Cd 10 mg/l) được điều chế bằng cách hòa tan 0,7993 g Pb(NO3)2 và 0,6861 g Cd(NO3)2⋅4H2O trong 500 ml nước deion. Thêm 0,2 g tinh bột xanthat liên kết chéo vào dung dịch Pb2+ (1000 ml, 10 mg/l) và dung dịch Cd2+ (1000 ml, 10 mg/l). Sự hấp phụ bão hòa của các ion kim loại trên tinh bột biến tính là 50 mg/g. Phức hợp kim loại polyme được loại bỏ bằng cách lọc sau khi hấp phụ tĩnh trong 4 giờ và dịch lọc được sử dụng cho phần còn lại phân tích kim loại. Khả năng hấp phụ được tính toán từ các biểu thức sau [10, 11]: Q  C0 .V0  C1.V1  m Trong đó: 𝑄 (mmol/g): dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ. C0 và C1 (mol/lil): nồng độ ban đầu và cuối cùng của các ion Pb2+ và Cd2+ trong dung dịch hấp phụ. V0 và V1 (ml): thể tích ban đầu và cuối cùng của các ion Pb2+ và Cd2+ trong dung dịch hấp phụ. m (gam): khối lượng của tinh bột biến tính. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Các đặc trưng của vật liệu tinh bột sắn biến tính 3.1.1. Kết quả phổ hồng ngoại FT-IR Các dải quang phổ khác nhau cùng với tần số tương ứng của tinh bột sắn, tinh bột xanthat, và tinh bột sắn biến tính được thể hiện theo Hình 1. Phổ tinh bột sắn cho thấy rằng 3443 cm-1 là dải hấp phụ dao động kéo dài của hydroxyl. Các dải hấp phụ khác xuất hiện ở 2927 cm-1 là kết quả của dao động kéo căng metylen. Dải hấp phụ có kích thước 1639 cm-1 do tính uốn hydroxyl rung động. Cường độ xanthat của tinh bột của dải –OH giảm và đỉnh thu hẹp hơn so với tinh bột sắn vì hydroxyl tham gia vào quá trình tổng hợp xanthat tinh bột. 1204 cm − 1 là C = S và Sự kéo dài dải C-S của xanthat tinh bột. Phổ FTIR chứng minh rằng tinh bột đã phản ứng với cacbon đisulfua trong điều kiện kiềm mà xanthat tinh bột tạo ra, đỉnh hấp phụ trở nên rộng hơn và cường độ tăng tại 1640 và 1620 cm − 1 là dao động căng của C = O trong -CONH2 và sự kéo dài đối 112
xứng và không đối xứng dao động của -COONa và -COONH4. Nó chỉ ra rằng tinh bột xanthat có phản ứng đồng trùng hợp ghép với acrylamid và natri acrylat như mong đợi. Hình 1: Phổ IR của tinh bột sắn, xanthat tinh bột và tinh bột sắn biến tính 3.1.2. Kết quả ảnh SEM Hình ảnh SEM của tinh bột sắn, xanthat tinh bột và tinh bột sắn biến tính hấp phụ Pb2+ và Cd2+ được thể hiện trong Hình 2. Các hạt tinh bột sắn có hình bầu dục trong hình dạng với bề mặt nhẵn. Tinh bột xanthat có dạng thô với cấu trúc lỏng lẻo vì phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt [12, 13]. Hình 2 (c) chỉ ra rằng bề mặt của tinh bột sắn biến tính bao phủ một số lượng lớn màu trắng các đốm có hình dạng bất thường, đó là do mạng không gian cấu trúc được giãn hoàn toàn sau khi nó hấp phụ Pb2+ và Cd2+, và khi gel đã khô, tuy mỗi mạng cấu trúc trên bề mặt tinh bột sắn biến tính trở lại ở trạng thái đóng trước khi hấp phụ nước, các vết bẩn vẫn còn được nhìn thấy. Những đốm trắng có hình dạng bất thường này giải thích rằng đồng trùng hợp và liên kết chéo có thể có một số mức độ tính không đồng nhất [14]. (a) Ảnh SEM tinh bột sắn (b) Ảnh SEM xanthat tinh bột 113
(c) Ảnh SEM tinh bột sắn biến tính Hình 2: Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 3.2. Khả năng hấp phụ ion Pb2+, Cd2+ của vật liệu tinh bột sắn biến tính 3.2.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch Các mẫu tinh bột sắn biến tính được đưa vào các dung dịch Pb2+ và Cd2+ pH từ 2-9 ở nhiệt độ phòng để khảo sát ảnh hưởng của pH đến tính chất hấp phụ ion Pb2+ và Cd2+ 50 Độ hấp phụ (mg/g) 40 30 20 Cd2+ 10 Pb2+ 0 0 5 10 pH Hình 3: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ của ion Pb2+ và Cd2+ Hình 3 cho thấy khả năng hấp phụ ion Pb2+ và Cd2+ của tinh bột sắn biến tính phụ thuộc vào pH, khả năng hấp phụ kém ở giá trị pH thấp, khả năng hấp phụ được tăng lên khi tăng giá trị pH và tối đa (47 mg /g Pb2+ và 36,12 mg/g Cd2+) đạt được ở khoảng pH = 5,0. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự hấp phụ để loại bỏ các ion Pb2+ và Cd2+ có thể được giải thích bởi điện tích bề mặt của chất hấp phụ trong môi trường axit và môi trường bazơ [13]. Trong môi trường axit, độ pH giá trị rất thấp và năng lực cạnh tranh của H+ là mạnh hơn ion kim loại. Mặt khác, vì H+ có thể phản ứng với các nhóm hoạt động và lực đẩy tĩnh điện tăng giữa các nhóm hoạt động và các ion kim loại. Sau đó, quá trình phối hợp giữa các nhóm hoạt động và các ion kim loại bị chặn trên tinh bột sắn biến tính thích chelat với các ion hydro hơn là các ion Pb2+ và Cd2+ do proton hóa như trong tinh bột [14]: Tinh bột-O-CSS− + HCl → Tinh bột-O-CSS− H+ + Cl− 114
Vì vậy, tinh bột sắn biến tính hiển thị điện tích bề mặt dương. Trong môi trường cơ bản, tinh bột sắn biến tính có điện tích bề mặt âm do lực hút giữa bazơ và H+. Do đó, khả năng hấp phụ là tăng với giá trị pH tăng do lực hút tĩnh điện. 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Pb2+ và Cd2+ Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của Pb2+ và Cd2+ được nghiên cứu và kết quả thể hiện trong Hình 4. Độ thấm hút tăng khi nồng độ của các ion kim loại tăng và xu hướng thấm hút trở nên chậm lại. Có thể giải thích như sau: khi nồng độ của các ion kim loại thấp, lượng ion kim loại thấp hơn nhiều so với khả năng hấp phụ bão hòa của tinh bột sắn biến tính. Chất hấp phụ polyme có nhiều vị trí trống, vì vậy gradient nồng độ diễn ra trong dung dịch mà nó có thể liên tục hấp phụ Pb2+ và Cd2+. Khả năng hấp phụ tăng nhanh khi nồng độ tăng. Các vị trí trống liên tục được lấp đầy với sự tập trung ngày càng tăng của các ion kim loại và gradient nồng độ giảm làm dẫn đến xu hướng thấm hút chậm hơn [15], và cuối cùng đã đạt được sự cân bằng. 800 Độ hấp phụ (mg/g) 600 400 Pb2+ 200 Cd2+ 0 0 50 100150200250300 Nồng độ ban đầu của Pb2+ va Cd2+ Hình 4: Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của Pb2+ và Cd2+ 3.2.3. Xây dựng mô hình hấp phụ của vật liệu tinh bột sắn biến tính Hình 5: Đường đẳng nhiệt Freundlich của Hình 6: Đường đẳng nhiệt Langmuir của Pb2+ và Cd2+ hấp phụ tinh bột sắn biến tính Pb2+ và Cd2+ hấp phụ tinh bột sắn biến tính Đường đẳng nhiệt hấp phụ cho Pb2+ và Cd2+ được trình bày trong Hình 5 và 6. Trong bài báo này, đẳng nhiệt hấp phụ Pb2+ và Cd2+ trên tinh bột sắn biến tính được nghiên cứu 115
bằng cách tính toán khả năng hấp phụ như một hàm của nồng độ cân bằng Pb2+ và Cd2+. Kết quả chỉ ra rằng các giá trị hệ số tương quan của Đường đẳng nhiệt Freundlich (Pb2+ 𝑅2 = 0,9454; Cd2+ 𝑅2 = 0,8707) Thấp hơn so với đường đẳng nhiệt Langmuir (Pb2+ 𝑅2= 0,9959; Cd2+ 𝑅2 = 0,992), chứng tỏ rằng mô hình Langmuir phù hợp với dữ liệu thử nghiệm hơn mô hình Freundlich. Hằng số đẳng nhiệt và hệ số tương quan cho sự hấp phụ của Pb2+ và Cd2+ trên tinh bột biến tính được trình bày trong Bảng 1. Bảng 1: Hằng số đẳng nhiệt và hệ số tương quan cho hấp phụ Pb2+ và Cd2+ trên tinh bột sắn biến tính Phương trình Langmuir Phương trình Freundlich Ke Pb2+ 7,624 n Pb2+ 2,134 Cd2+ 3,483 Cd2+ 1,726 2 R Pb2+ 0,9959 R2 Pb2+ 0,9454 Cd2+ 0,992 Cd2+ 0,8707 qm Pb2+ 50 mg/g Kf Pb2+ 0,546 Cd2+ 50 mg/g Cd2+ 0,513 4. KẾT LUẬN Tinh bột sắn biến tính được điều chế bằng cách ghép đồng trùng hợp của acrylamit và natri acrylat lên tinh bột xanthat sử dụng kali persunfat và N, N - methylenbisacrylamid làm chất liên kết chéo. Khả năng hấp phụ đối với các ion Pb2+ và Cd2+ của tinh bột sắn biến tính trong các điều kiện khác nhau đã được nghiên cứu. Lượng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ cao nhất là 47,11 mg/g và 36,55 mg/g. Mô hình hấp phụ Langmuir là phù hợp với dữ liệu thử nghiệm hơn so với mô hình Freundlich. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lakherwal, D. (2014), “Adsorption of Heavy Metals”, International Journal of Environmental Research and Development, Vol. 4, pp. 41-48. 2. Neeta Singh and D.S.K. Gupta (2016), “Adsorption of Heavy Metals”, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, Vol. 5(Issue 2). 3. Stafiej, A. and K. Pyrzynska (2007), “Adsorption of heavy metal ions with carbon nanotubes”, Separation and Purification Technology, 58(1), pp. 49-52. 4. D. Soto, J. Urdaneta, K. Pernía, O. Leon, A. Munoz-Bonilla, and M. Fernandez- Garcıa (2016), “Removal of heavy metal ions in water by starch esters”, Starch/Staerke, vol. 68, no. 1-2, pp. 37–46. 5. D.-K. Kweon, J.-K. Choi, E.-K. Kim, and S.-T. Lim (2001), “Adsorption of divalent metal ions by succinylated and oxidized corn starches”, Carbohydrate Polymers, vol. 46, no. 2, pp. 171–177. 116
6. S.-M. Xu, S. Feng, G. Peng, J.-D. Wang, and A. Yushan (2005), “Removal of Pb (II) by crosslinked amphoteric starch containing the carboxymethyl group”, Carbohydrate Polymers, vol. 60, no. 3, pp. 301–305. 7. S. R. Popuri, R. Frederick, C.-Y. Chang, S.-S. Fang, C.-C. Wang, and L.-C. Lee (2014), “Removal of copper (II) ions from aqueous solutions onto chitosan/carbon nanotubes composite sorbent”, Desalination and Water Treatment, vol. 52, no. 4-6, pp. 691–701. 8. Y. Bulut, G. Akc¸ay, D. Elma, and I. E. Serhatli (2009), “Synthesis of clay based superabsorbent composite and its sorption capability”, Journal of Hazardous Materials, vol. 171, no. 1–3, pp. 717–723. 9. S. S. Yilmaz, D. Kul, M. Erdol, M Ozdemir, and R. Abbasoglu (2007), “Synthesis of a novel crosslinked superabsorbent copolymer with diazacyclooctadecane crown ether and its sorption capability”, European Polymer Journal, vol. 43, no. 5, pp. 1923–1932. 10. M. A. Bhat, H. Chisti, and S. A. Shah (2015), “Removal of heavy metal ions from water by cross-linked potato di-starch phosphate polymer”, Separation Science and Technology, vol. 50, no. 12, pp. 1741–1747. 11. G. H.Wen, D.Wang, and N. Shan (2015), “On the absorption behaviors of the super xanthate starch resin for heavy metal ions”, Journal of Safety and Environment, vol. 15, pp. 221–227. 12. E. S. Abdel-Halim and S. S. Al-Deyab (2014), “Preparation of poly(acrylic acid)/starch hydrogel and its application for cadmium ion removal from aqueous solutions”, Reactive and Functional Polymers, vol. 75, pp. 1–8. 13. F. Fu and Q. Wang (2011), “Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review”, Journal of Environmental Management, vol. 92, no. 3, pp. 407–418. 14. M. Al-Shannag, Z. Al-Qodah, K. Bani-Melhem, M. R. Qtaishat, and M. Alkasrawi (2015), “Heavy metal ions removal from metal plating wastewater using electrocoagulation: kinetic study and process performance”, Chemical Engineering Journal, vol. 260, pp. 749–756. 15. Z. Chen, M. Liu, and S. Ma (2005), “Synthesis and modification of salt resistant superabsorbent polymers”, Reactive and Functional Polymers, vol. 62, no. 1, pp. 85–92. 117