Trong bài báo này tác giả tiến hành khảo sát sự hấp phụ của niken trên bentonit. Các nghiên cứu được thực hiện với mục đích để xét ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm như pH, nồng độ của niken, thời gian và nhiệt độ lên quá trình hấp phụ của niken trên bentonit.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni2 của bentonit
- JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE
Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 124-131
This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni2+ CỦA BENTONIT
Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc và Lê Minh Cầm
Khoa Hoá học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội
Tóm tắt. Trong bài báo này chúng tôi tiến hành khảo sát sự hấp phụ của niken trên
bentonit. Các nghiên cứu được thực hiện với mục đích để xét ảnh hưởng của các
thông số thực nghiệm như pH, nồng độ của niken, thời gian và nhiệt độ lên quá
trình hấp phụ của niken trên bentonit. Sau khi tinh chế bentonit thô, chúng tôi đã
xác định đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp XRD, SEM và BET. Các thí
nghiệm hấp phụ niken trên bentonit được tiến hành trong bể điều nhiệt. Kết quả
nghiên cứu chỉ ra rằng, khả năng hấp phụ tăng khi thời gian hấp phụ và pH của
dung dịch tăng, quá trình hấp phụ niken trên bentonit tuân theo phương trình đẳng
nhiệt Langmuir và động học của quá trình hấp phụ thỏa mãn phương trình động
học biểu kiến bậc hai.
Từ khóa: Niken, bentonit, hấp phụ, ion kim loại nặng, phương trình đẳng nhiệt
Langmuir.
1. Mở đầu
Ngày nay, cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất
thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến môi trường, đặc biệt là môi trường nước. Sự
ô nhiễm các kim loại nặng như Cu, Zn, Pb, Ni, Cd, As,... do các hoạt động khai thác mỏ
và các hoạt động công nghiệp như công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện,
lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm,... đã và đang là một vấn đề cần được giải quyết
một cách cấp bách [1, 3].
Ở Việt Nam, sự có mặt của niken trong nước thải của các nhà máy công nghiệp như
nhà máy hoá chất, luyện kim, điện tử,. . . đã gây hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường
và sức khỏe con người [2]. Do đó, việc nghiên cứu để tách các ion kim loại nặng, trong đó
có niken từ các nguồn nước bị ô nhiễm là vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng
đồng và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Hiện nay, đã có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lí kim loại nặng như: kết
tủa hóa học, lọc màng, trao đổi ion, keo tụ,. . . trong đó phương pháp hấp phụ tỏ ra có
Tác giả liên lạc: Nguyễn Thị Mơ, địa chỉ e-mail: montvn@gmail.com
124
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit
nhiều ưu điểm và được áp dụng rộng rãi hơn do khả năng xử lí nhanh, dễ chế tạo thiết bị
và đặc biệt có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ. Trong phương pháp hấp phụ thì các vật
liệu khoáng sét được xem là loại vật liệu triển vọng [2]. Khoáng sét bentonit với trữ lượng
dồi dào, cấu trúc lớp có khả năng trao đổi ion cao, khả năng trương nở (ưa nước) lớn là
một trong những vật liệu hấp phụ được quan tâm nhiều nhất hiện nay [4].
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về việc sử dụng bentonit để hấp phụ niken ở
quy mô phòng thí nghiệm nhằm mục đích xử lí niken trong nguồn nước bị ô nhiễm.
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Thực nghiệm
* Tinh chế bentonit
Bentonit được sử dụng trong nghiên cứu này là bentonit Cổ Định, Thanh Hóa.
Bentonit Cổ Định thô với độ ẩm 20 - 30% được nghiền sơ bộ và qua sơ chế để loại bỏ tạp
chất. Sau đó, bentonit sơ chế được ngâm với nước trong 24 giờ để tạo huyền phù rồi tiếp
tục pha loãng, khuấy đều trong 30 phút. Sau khi cho hỗn hợp vào máy siêu âm trong 30
phút, để lắng trong 15 phút, phần trên của hỗn hợp được lọc để lấy phần sét. Sét thu được
phơi khô ngoài không khí trong 24 giờ và tiếp tục sấy ở nhiệt độ 60 ◦ C trong 24 giờ. Sản
phẩm thu được là bentonit tinh chế.
* Đặc trưng vật liệu
Bentonit tinh chế được đặc trưng bởi các phương pháp: SEM, XRD, BET để xác
định hình thái, cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt của vật liệu.
Cấu trúc tinh thể của bentonit được xác định bằng phương pháp XRD, chụp trên
máy D8 Advance - Brucker với ống phát tia CuKα (λ = 1,54A), ˚ cường độ dòng ống phát
◦
40 mA, góc quét 2θ từ 1 - 40 , tốc độ quét 0,02 độ/giây tại Khoa Hóa học, Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Các đặc trưng tính chất bề mặt của vật liệu được xác định theo phương pháp đo
được tính bề mặt riêng BET. Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ nitơ được xác
định ở 77 K. Diện tích bề mặt riêng và diện tích mao quản được tính theo phương trình
BET, phương pháp “t-plot” và phương pháp BJH. Các kết quả được xác định trên máy Tri
Start 3000 Micromeritics tại Bộ môn Hóa lí thuyết và Hóa lí, Khoa Hóa học, Trường Đại
học Sư phạm Hà Nội.
Hình thái của hạt được đánh giá qua phương pháp hiển vi điện tử quét SEM. Mẫu
được chụp trên máy SEM-JEOL JSM.5410LV (Nhật Bản) tại phòng thí nghiệm Vật liệu,
Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
* Thí nghiệm hấp phụ
Quá trình hấp phụ niken trên bentonit được tiến hành với 0,15 g bentonit trong bình
eclen 100 mL có chứa 40 mL dung dịch Ni(NO3 )2 . Bình eclen được đặt trong máy lắc
có điều khiển nhiệt độ với tốc độ lắc 120 vòng/phút. Sau một khoảng thời gian xác định,
125
- Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc, Lê Minh Cầm
dung dịch được gạn và lọc với giấy lọc xenlulo axetat. Nồng độ dung dịch Ni2+ trước và
sau hấp phụ được phân tích bằng phương pháp phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) trên thiết bị
AA6800.
V (C0 − Ce )
Dung lượng hấp phụ cân bằng được tính theo phương trình: qe = ,
m
trong đó qe là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g); V là thể tích dung dịch; C0 và Ce là
nồng độ Ni2+ ban đầu và nồng độ Ni2+ ở trạng thái hấp phụ cân bằng (mg/L).
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được áp dụng cho quá trình hấp phụ Ni2+ trên
1 1 1 1
bentonit là: = + , trong đó qe là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g); q0
qe q0 q0 K L C e
là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); KL là hằng số hấp phụ Langmuir; Ce là nồng độ
Ni2+ cân bằng (mg/L).
Động học hấp phụ Ni2+ của bentonit được mô tả bằng mô hình động học biểu kiến
t 1 1
bậc 2, phương trình có dạng: = 2 + t, trong đó qt là dung lượng hấp phụ tại thời
qt kqe qe
điểm t (mg/g); qe là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g); k là hằng số tốc độ (g/mg.
phút).
2.2. Kết quả và thảo luận
2.2.1. Các đặc trưng lí hóa của bentonit
Hình 1. Giản đồ XRD của bentonit tinh chế
Giản đồ XRD của bentonit đã tinh chế được trình bày ở Hình 1. Có thể dễ dàng thấy
rằng các pic đặc trưng cho quartz có cường độ rất nhỏ chứng tỏ quartz đã bị loại bỏ đáng
kể trong quá trình tinh chế. Trong khi đó các pic đặc trưng cho montmorillonit có cường
độ lớn, từ đó có thể suy ra hàm lượng montmorillonit trong bentonit tinh chế là khá lớn.
Hình 2 mô tả ảnh SEM của bentonit đã tinh chế. Kết quả cho thấy rằng mẫu bentonit
đã tinh chế có kích thước hạt trung bình khoảng 10 µm.
126
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit
Hình 2. Ảnh SEM của bentonit đã tinh chế
Bảng 1. Các đặc trưng bề mặt của bentonit
Đặc trưng Kết quả
Diện tích bề mặt BET (m2 g−1 ) 70,4045
Thể tích lỗ xốp (cm3 g−1 ) 0,089869
Đường kính mao quản trung bình (4 V/A) (nm) 11,2987
Hình 3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ nitơ ở 77 K của bentonit
Từ kết quả BET được chỉ ra ở Hình 3 và Bảng 1, ta thấy dạng đường cong trễ chứng
tỏ sự tạo thành các lỗ trống của vật liệu bentonit là không đồng đều. Có thể kết luận rằng
do sự sắp xếp ngẫu nhiên của các lớp bentonit mà có sự tạo thành các lỗ xốp có kích thước
tương đương với kích thước mao quản trung bình (đường kính mao quản trung bình tính
theo phương pháp BJH là 11,3 nm). Kết quả cũng chỉ ra rằng bentonit tinh chế có diện
tích bề mặt SBET = 70,4 cm2 /g; thể tích lỗ xốp tính được theo phương pháp BJH là 0,09
cm3 /g.
127
- Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc, Lê Minh Cầm
2.2.2. Ảnh hưởng của pH
Điểm đẳng điện của bentonit được xác định và kết quả thu được là zP0 = 7,4. Để
nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Ni2+ trên bentonit, thí nghiệm hấp
phụ được thực hiện với nồng độ dung dịch Ni2+ ban đầu là 120 mg/L với pH = 2; 3; 4; 5;
6; 7; 8; 9; 10 trong khoảng thời gian hấp phụ là 4 giờ.
Hình 4. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit
Từ kết quả được chỉ ra ở Hình 4, có thể đưa ra kết luận, khi pH của dung dịch tăng
từ 2 đến 7 thì dung lượng hấp phụ Ni2+ tăng nhẹ, nhưng sau đó khi pH tiếp tục tăng thì có
sự tăng mạnh về khả năng xử lí Ni2+ . Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của
nhiều công trình và có thể giải thích được như sau: ở pH thấp, bề mặt chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ đều tích điện cùng dấu (ở pH < 7,4 (zP0), bề mặt bentonit tích điện dương) nên
lực đẩy tĩnh điện làm hạn chế khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit. Ngoài ra sự tồn tại của
H+ trong dung dịch với nồng độ cao cũng dẫn đến sự hấp phụ cạnh tranh giữa H+ và Ni2+
và kéo theo sự giảm dung lượng hấp phụ Ni2+ ở pH thấp. Sự tăng vọt lượng Ni2+ trên bề
mặt bentonit ở vùng pH > 8 là do tại pH này ngoài quá trình hấp phụ còn có quá trình tạo
phức hiđroxit, dẫn đến sự giảm nồng độ Ni2+ tự do trong dung dịch. Do vậy vùng pH tối
ưu cho sự hấp phụ ion Ni2+ tự do trong dung dịch sẽ nằm trong khoảng pH = 5 - 7. Các
nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện ở pH = 5,5.
2.2.3. Cân bằng hấp phụ - Ảnh hưởng của nhiệt độ
Để nghiên cứu cân bằng hấp phụ, các thí nghiệm được thực hiện với pH dung dịch
5,5; nồng độ ban đầu của Ni2+ là 30; 45; 60; 75; 90; 105; 120 mg/L trong thời gian 4 giờ ở
các nhiệt độ 30 ◦ C; 40 ◦ C; 50 ◦ C. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni2+ trên bentonit được
chỉ ra trên Hình 5.
128
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit
(a) (b)
2+
Hình 5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni trên bentonit (a)
là phương trình đẳng nhiệt Langmuir của sự hấp phụ Ni2+ trên bentonit (b)
Mối quan hệ tuyến tính giữa 1/qe và 1/Ce với hệ số tương quan R2 > 0,99 chứng
tỏ rằng sự hấp phụ của Ni2+ trên bentonit tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir.
Điều này cũng chứng tỏ rằng bentonit là chất hấp phụ có bề mặt khá đồng nhất. Các giá
trị dung lượng hấp phụ cực đại qmax tính được ở các nhiệt độ 30 ◦ C, 40 ◦ C, 50 ◦ C lần lượt
là 9,87; 10,22; 10,05 mg/g.
Từ hình 5 cũng có thể nhận thấy rằng, trong khoảng nhiệt độ đang xét (30 - 50 ◦ C),
không quan sát thấy sự phụ thuộc rõ ràng vào nhiệt độ của quá trình hấp phụ Ni2+ trên
bentonit.
2.2.4. Động học hấp phụ
Động học của quá trình hấp phụ được nghiên cứu với dung dịch Ni2+ 60 mg/L ở
pH dung dịch là 5,5; các nhiệt độ 30 ◦ C; 40 ◦ C; 50 ◦ C, với các khoảng thời gian hấp phụ
là 0,5; 1; 2; 5; 15; 30; 60; 120; 240 và 1440 phút.
Bảng 2. Các tham số động học của quá trình hấp phụ Ni2+ trên bentonit
T(K) Phương trình động học k2 (g.mg−1 .min−1 ) qe (mg/g) R2
303 y = 0,1197x + 0,0436 0,3286 8,3542 1,0000
313 y = 0,1382x + 0,1348 0,1417 7,2359 0,9998
323 y = 0,1215x + 0,1333 0,1107 8,2305 0,9991
Kết quả nghiên cứu sự hấp phụ Ni2+ trên bentonit theo thời gian cho biết quá trình
hấp phụ này xảy ra rất nhanh (cân bằng hấp phụ được thiết lập trong khoảng 30 phút đầu).
Từ kết quả được chỉ ra trong Hình 6 và Bảng 2 có thể nhận thấy rằng, phương trình động
học biểu kiến bậc 2 rất thích hợp cho việc mô tả quá trình hấp phụ Ni2+ trên bentonit với
hệ số tương quan ≈ 1. Các kết quả về dung lượng hấp phụ cân bằng qe tính được theo
phương trình động học cũng phù hợp với các kết quả thu được từ thực nghiệm.
129
- Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc, Lê Minh Cầm
Hình 6. Đồ thị động học hấp phụ biểu kiến bậc 2 của sự hấp phụ Ni2+
trên bentonit ở 30 ◦ C
3. Kết luận
Từ việc phân tích kết quả thực nghiệm, có thể đưa ra những kết luận sau:
1-Bentonit tinh chế từ bentonit Cổ Định có hàm lượng montmorillonit khá cao, có
kích thước hạt trung bình khoảng 10 µm với diện tích bề mặt riêng là 70,4 cm2 /g. Do vậy
bentonit có thể là chất hấp phụ hiệu quả đối với các kim loại nặng, trong đó có Ni2+ .
2-Khả năng hấp phụ của bentonit phụ thuộc vào pH, và khoảng pH tối ưu để nghiên
cứu khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit là khoảng 5 - 7.
3-Trong khoảng nồng độ khảo sát, quá trình hấp phụ Ni2+ trên bentonit ở các nhiệt
độ khác nhau đều tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir. Dung lượng hấp phụ Ni2+
trên bentonit đạt giá trị cực đại là 9,87 mg/g ở 30 ◦ C, 10,22 mg/g ở 40 ◦ C và 10,05 mg/g
ở 50 ◦ C.
4-Với điều kiện thí nghiệm được thiết lập thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình
hấp phụ Ni2+ của bentonit trong khoảng nhiệt độ từ 30 - 50 ◦ C không thể hiện rõ.
5- Nghiên cứu sự hấp phụ Ni2+ trên bentonit theo thời gian cho thấy quá trình hấp
phụ này tuân theo quy luật động học biểu kiến bậc 2.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bailey, S. E, Olin, T.J., Bricka, R.M., Adrian, D.D., 1999. A review of potentially
low-cost sorbents for heavy metals. Wat. Res. 33, pp. 2469-2479.
130
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni2+ của bentonit
[2] Nguyễn Ngọc Khang và nnk, 2009. Nghiên cứu sử dụng một số khoáng chất vào việc
xử lý một vài kim loại nặng trong nước thải. Kỷ yếu Hội nghị Xúc tác Hấp phụ Toàn
quốc lần thứ V, tr. 764-769.
[3] Vengris, T., Binkiene, R., Sveikauskaite, A., 2001. Nickel, copper and zinc removal
from waste water by a modified clay sorbent. Appl. Clay Sci. 18, pp. 183-190.
[4] Zuzana Melichova, Ladislav Hromada. 2013. Adsorption of Pb2+ and Cu2+ ions
from aqueous solutions on natural bentonite. Pol. J. Environ. Stud. Vol. 22, No.2.
pp. 456-464.
ABSTRACT
Study of the adsorption ability of Ni2+ on Bentonite
In this study, the adsorption of nickel ions (Ni2+ ) on bentonite was investigated. The
adsorption was looked at considering the influence of the operating parameters of pH,
initial concentration of nickel, adsorption duration and temperature. Raw bentonite was
purified and then characterized using XRD, SEM and BET methods. The Ni2+ adsorption
on bentonite was investigated using the batch method. The obtained results showed that the
adsorption increased with an increase in adsorption time and pH of the aqueous solution. It
was observed that the experimental equilibrium data fitted the Langmuir isotherm model
and the adsorption kinetics followed a pseudo-second-order equation.
131
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
