Nghiên cứu khả năng hấp thụ của vật liệu hấp thu chế tạo từ vỏ lạc đối với các ion Cd2+ và Mn2+ trong môi trường nước

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ<br /> VỎ LẠC ĐỐI VỚI CÁC ION Cd2+ VÀ Mn2+ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC<br /> Nguyễn Thùy Dương, Lê Hữu Thiềng ( Trường ĐH Sư phạm- ĐH Thái Nguyên)<br /> <br /> 1. Mở đầu<br /> Ô nhiễm nguồn nước đã và đang trở thành vấn đề nghiêm trọng của toàn cầu. Đặc biệt<br /> với một nước đang phát triển như nước ta, nguồn nước thải của các khu công nghiệp, khu chế<br /> xuất,… thường chứa nhiều ion kim loại nặng như: Cu2+, Mn2+, Pb2+, Cd2+,…Những ion này với<br /> hàm lượng vượt quá tiêu chuNn cho phép sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng không nhỏ<br /> đến sức khỏe con người.<br /> Tận dụng các phụ phNm nông nghiệp chế tạo thành vật liệu hấp phụ (VLHP) để xử lý<br /> nước thải đang được nhiều người quan tâm. Hướng nghiên cứu này có nhiều ưu điểm là sử dụng<br /> nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, không làm nguồn nước bị ô nhiễm thêm [2].<br /> Vỏ lạc là một phế thải rất phổ biến ở Việt Nam, có sản lượng hàng năm lên tới trên 150<br /> nghìn tấn. Thành phần chủ yếu của vỏ lạc là xenlulozơ, hemixenlulozo, lignin, …[1] có chứa<br /> nhóm chức hiđroxyl, thuận lợi cho việc chế tạo vỏ lạc thành VLHP.<br /> 2. Thực nghiệm<br /> 2.1. Quy trình chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc<br /> Vỏ lạc nguyên liệu được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi. Lấy 25g nguyên liệu cho vào<br /> cốc chứa 500ml dung dịch NaOH 0,1M, khuấy đều trong 120 phút, lọc lấy phần bã rắn, rửa sạch<br /> bằng nước cất đến môi trường trung tính, sấy khô ở 85-90oC. Sau đó, phần bã rắn tiếp tục cho<br /> vào cốc chứa 150ml dung dịch axit xitric 0,6M khuấy trong 30 phút, lọc lấy bã rắn, sấy ở 50oC<br /> trong 24 giờ, nâng nhiệt độ lên 120oC trong 90 phút. Cuối cùng, rửa bằng nước cất nóng tới môi<br /> trường trung tính và sấy khô ở 85-90oC, thu được VLHP [3].<br /> 2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ trên VLHP<br /> a. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP<br /> Cho một lượng chính xác VLHP vào một thể tích xác định dung dịch chứa từng ion kim<br /> loại Cd2+ và Mn2+ có nồng độ ban đầu khác nhau. Khảo sát quá trình hấp phụ trong các khoảng<br /> thời gian từ 10 đến 120 phút. Xác định nồng độ còn lại của ion kim loại trong các dung dịch<br /> bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử(AAS)<br /> b. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP<br /> Cho một lượng xác định VLHP vào dung dịch chứa từng ion kim loại Cd2+ và Mn2+ với<br /> các nồng độ ban đầu Ci khác nhau. Khảo sát quá trình hấp phụ trong khoảng thời gian đạt cân<br /> bằng hấp phụ ở trên. Xác định nồng độ cân bằng Cf của các ion kim loại. Tính dung lượng hấp<br /> phụ theo công thức:<br /> q=<br /> <br /> (C − C ).V<br /> i<br /> <br /> f<br /> <br /> (V: thể tích dung dịch ion kim loại, m: khối lượng VLHP)<br /> <br /> m<br /> Dung lượng hấp phụ cực đại qmax của VLHP được tính theo phương trình hấp phụ đẳng<br /> nhiệt Langmuir dạng tuyến tính:<br /> 126<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Cf<br /> q<br /> <br /> =<br /> <br /> 1<br /> q max<br /> <br /> Cf +<br /> <br /> 1<br /> q max b<br /> <br /> (b: hằng số)<br /> <br /> c. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP bằng phương pháp hấp phụ động trên cột<br /> Dội liên tục dung dịch chứa từng ion Cd2+ và Mn2+ với nồng độ ban đầu Ci xác định qua<br /> cột chứa VLHP với tốc độ dòng là 2ml/phút. Thể tích của VLHP trên cột là 10ml và thể tích<br /> này gọi là 1 bed volume. Cứ sau 10ml dung dịch (1 bed volume) dội qua cột tiến hành lấy mẫu<br /> để phân tích hàm lượng ion kim loại còn lại Cf trong dung dịch. Lặp lại thao tác trên đến tổng<br /> thể tích dung dịch dội qua cột là 200ml.<br /> 3. Kết quả và thảo luận<br /> 3.1. Kết quả khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP<br /> Nguyên liệu vỏ lạc ban đầu được xử lý bằng NaOH để loại bỏ các pigmen màu và các<br /> hợp chất hữu cơ dễ hòa tan, tiếp tục được este hóa bằng axit xitric. Kết quả của quá trình xử lý<br /> được thể hiện qua phổ hồng ngoại (IR) thông qua sự dịch chuyển của nhóm cacbonyl từ vùng số<br /> sóng 1737.86 cm-1 tới 1728.22 cm-1 (hình 1 và hình 2).<br /> <br /> Hình 1: Phổ IR của nguyên liệu ban đầu<br /> <br /> Hình 2: Phổ IR của VLHP<br /> <br /> Tiến hành chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của nguyên liệu ban đầu và VLHP,<br /> quan sát thấy VLHP có độ xốp cao hơn và diện tích bề mặt lớn hơn rõ rệt (hình 3 và hình 4).<br /> <br /> Hình 3: Ảnh chụp SEM của nguyên liệu<br /> <br /> Hình 4: Ảnh chụp SEM của VLHP<br /> <br /> 127<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> 3.2. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của VLHP<br /> Các kết quả thực nghiệm cho thấy, khi sử dụng VLHP, thời gian đạt cân bằng của Cd2+<br /> là 20 phút và của Mn2+ là 70 phút (bảng 1 và hình 5).<br /> Bảng 1: Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ<br /> Thời<br /> (phút)<br /> <br /> gian<br /> <br /> Nồng độ<br /> (mg/l)<br /> <br /> cân<br /> <br /> bằng<br /> 200<br /> 180<br /> <br /> Mn2+<br /> 183,71<br /> <br /> 10<br /> <br /> 36,98<br /> <br /> 143,00<br /> <br /> 20<br /> <br /> 34,03<br /> <br /> 141,34<br /> <br /> 40<br /> <br /> 34,19<br /> <br /> 139,02<br /> <br /> 70<br /> <br /> 33,99<br /> <br /> 133,89<br /> <br /> 110<br /> <br /> 34,05<br /> <br /> 133,78<br /> <br /> 150<br /> <br /> 34,10<br /> <br /> 133,80<br /> <br /> 160<br /> 140<br /> N ồng độ (m g/l)<br /> <br /> 0<br /> <br /> Cd2+<br /> 103,60<br /> <br /> 120<br /> 100<br /> <br /> Cd<br /> <br /> 80<br /> <br /> Mn<br /> <br /> 60<br /> 40<br /> 20<br /> 0<br /> 0<br /> <br /> 50<br /> <br /> 100<br /> <br /> 150<br /> <br /> 200<br /> <br /> Thời gian (phút)<br /> <br /> Hình 5: Ảnh hưỏng của thời gian đến sự hấp phụ<br /> <br /> 3.3. Kết quả khảo sát dung lượng hấp phụ Cd2+ và Mn2+ của VLHP<br /> Khảo sát quá trình hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ trên VLHP theo phương trình hấp phụ<br /> đẳng nhiệt Langmuir thu được kết quả: dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cd2+ là<br /> 6,56mg/g và Mn2+ là 3,04mg/g. Các kết quả thực nghiệm cho thấy, sự hấp phụ các ion Cd2+ và<br /> Mn2+ được mô tả khá tốt theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (bảng 2, bảng 3, hình<br /> 6 và hình 7).<br /> Bảng 2: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ cân<br /> bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân<br /> bằng của Cd2+<br /> <br /> 128<br /> <br /> Bảng 3: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ cân<br /> bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng độ cân<br /> bằng của Mn2+<br /> <br /> Cf (mg/l)<br /> <br /> Cf/q (g/l)<br /> <br /> Cf (mg/l)<br /> <br /> Cf/q (g/l)<br /> <br /> 2,33<br /> <br /> 1,95<br /> <br /> 9,72<br /> <br /> 12,99<br /> <br /> 4,90<br /> <br /> 3,25<br /> <br /> 18,00<br /> <br /> 19,80<br /> <br /> 14,06<br /> <br /> 5,12<br /> <br /> 32,45<br /> <br /> 22,53<br /> <br /> 23,14<br /> <br /> 7,20<br /> <br /> 59,45<br /> <br /> 31,79<br /> <br /> 48,73<br /> <br /> 12,07<br /> <br /> 100,98<br /> <br /> 46,32<br /> <br /> 79,98<br /> <br /> 17,15<br /> <br /> 144,30<br /> <br /> 60,13<br /> <br /> 170,00<br /> <br /> 30,90<br /> <br /> 204,71<br /> <br /> 78,43<br /> <br /> 287,64<br /> <br /> 45,66<br /> <br /> 280,00<br /> <br /> 104,15<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> 50<br /> <br /> 110<br /> <br /> 45<br /> <br /> 100<br /> 90<br /> <br /> 40<br /> <br /> 80<br /> 70<br /> <br /> 30<br /> <br /> Cf/q<br /> <br /> Cf/q (g/l)<br /> <br /> 35<br /> <br /> 25<br /> <br /> 60<br /> 50<br /> <br /> 20<br /> <br /> 40<br /> <br /> 15<br /> <br /> 30<br /> 20<br /> <br /> 10<br /> <br /> 10<br /> <br /> 5<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 50<br /> <br /> 100<br /> <br /> 150<br /> 200<br /> Cf (m g/l)<br /> <br /> 250<br /> <br /> 300<br /> <br /> 350<br /> <br /> 50<br /> <br /> 100<br /> <br /> 150<br /> <br /> 200<br /> <br /> 250<br /> <br /> 300<br /> <br /> Cf<br /> <br /> Hình 6: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ Hình 7: Sự phụ thuộc của tỉ số giữa nồng độ<br /> cân bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng cân bằng và dung lượng hấp phụ vào nồng<br /> độ cân bằng của Cd2+<br /> độ cân bằng của Mn2+<br /> <br /> Nồng độ (mg/l)<br /> <br /> 3.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ của VLHP bằng phương<br /> pháp hấp phụ động trên cột<br /> Sau khi dội qua cột hấp phụ 30ml dung<br /> 300<br /> dịch Cd2+ nồng độ 263,6mg/l và 20ml dung dịch<br /> 250<br /> Mn2+ nồng độ 211,71mg/l, hàm lượng các ion<br /> 200<br /> kim loại Cd2+ và Mn2+ ở lối ra của cột hấp phụ đã<br /> 150<br /> Cd<br /> giảm xuống dưới mức phát hiện được của<br /> Mn<br /> 100<br /> phương pháp AAS. Như vậy, khả năng hấp phụ<br /> 50<br /> 2+<br /> 2+<br /> các ion Cd và Mn theo phương pháp hấp phụ<br /> 0<br /> 0<br /> 5<br /> 10<br /> 15<br /> 20<br /> 25<br /> động trên cột của VLHP khá tốt, VLHP hấp phụ<br /> -50<br /> Bed-volume<br /> Cd2+ tốt hơn Mn2+(hình 8).<br /> Hình 8: Kết quả hấp phụ Cd2+ và Mn2+<br /> bằng phương pháp hấp phụ động trên cột<br /> <br /> 4. Kết luận<br /> 1. Đã chế tạo được VLHP từ nguồn phế thải nông nghiệp là vỏ lạc. Xác định được một<br /> số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phổ IR và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các kết quả<br /> nhận được cho thấy VLHP tỏ ra có tâm hấp phụ mạnh, có độ xốp lớn.<br /> 2. Khảo sát sự hấp phụ của VLHP đối với các ion Cd2+ và Mn2+ thu được kết quả:<br /> - Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Cd2+ là 20 phút, Mn2+ là 70 phút.<br /> - Dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cd2+ là 6,56mg/g và Mn2+ là 3,04mg/g.<br /> - Sự hấp phụ các ion Cd2+ và Mn2+ theo phương pháp hấp phụ động trên cột thu được kết<br /> quả khá tốt.<br /> VLHP chế tạo từ phụ phNm nông nghiệp, rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng hấp phụ tốt các<br /> ion Cd và Mn2+, do vậy, có thể sử dụng trong việc xử lý môi trường
.<br /> 2+<br /> <br /> 129<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bài báo trình bày về việc chế tạo vật liệu hấp phụ từ phụ phNm nông nghiệp là vỏ lạc. vật<br /> liệu này có khả năng hấp phụ tốt các ion Cd2+ và Mn2+ trong môi trường nước và mở ra khả<br /> năng áp dụng vào thực tiễn.<br /> Summary<br /> Develoment of adsorption capacities of Cd2+ and Mn2+ ions on chemically<br /> modified peanut hulls in aqueous solution<br /> The article shows the develoment of adsorbents from peanut hulls – one kind of<br /> agricultural waste. Chemically modified peanut hulls have a good adsorption capacity of Cd2+<br /> and Mn2+ ions in aqueous solution and open a new capacity for this project to be applied to the<br /> real life.<br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1]. Roger M.Rowell., Jame S. Han and Jeffrey S. Rowell, Characterization and factors effecting<br /> Fiber Properties, Natural Polymers and Agrofibers Composites, 2000, pp.115-134.<br /> [2]. E.Clave., J. Francois., L. Billon., B. De Jeso., M.F.Guimon., Crude and Modified Corncobs<br /> as complexing Agents for water decontamination, Journal of Applied Polymer Science, 2004, vol.91,<br /> pp.820-826.<br /> [3]. Trivette Vanghan., Chung W.Seo., Wayne E.Marshall, Removal of selected metal ions from<br /> aqueous solution using modified corncobs, Bioresource Technology, 2001, vol.78, pp.133-139.<br /> <br /> 130<br /> <br />