Vật liệu xơ dừa và than gáo dừa được hoạt hóa bằng dung dịch HCl và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch nước. Kết quả khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) trên xơ dừa và than gáo dừa hoạt hóa cho thấy thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 60 phút, tại pH= 1,30 với xơ dừa và pH = 1,52 với than gáo dừa.
Trang 1Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2016: tr 319-326
TRẦN THỊ BÍCH THỦY ĐOÀN HOÀNG PHƯƠNG THANH - VÕ THỊ LỢI
Khoa Hóa học
Tóm tắt: Vật liệu xơ dừa và than gáo dừa được hoạt hóa bằng dung dịch
HCl và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch nước Kết quả
khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) trên xơ dừa
và than gáo dừa hoạt hóa cho thấy thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 60 phút,
tại pH= 1,30 với xơ dừa và pH = 1,52 với than gáo dừa Khi có mặt các ion
lạ Na +
, Ca2+ trong dung dịch Cr(VI) thì hiệu suất hấp phụ Cr(VI) bằng xơ dừa và than gáo dừa hoạt hóa đều giảm và theo chiều Na +
> Ca2+ Dung lượng hấp phụ cực đại Cr(VI) trên xơ dừa hoạt hóa khoảng 4,24mg/g và than
gáo dừa hoạt hóa khoảng 0,24mg/g là phù hợp và tuân theo phương trình
động học Langmuir
Từ khóa: Hấp phụ, Cr(VI), xơ dừa hoạt hóa, than gáo dừa hoạt hóa
1 MỞ ĐẦU
Nước sạch là một nguồn nguyên liệu rất quý giá, giữ một vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển sinh quyển, không thể không có sự sống khi không có nước Nước đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người và trong quá trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp…Ngày nay do định hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nền công nghiệp đang trên đà phát triển, các khu công nghiệp ngày càng được xây dựng ở nhiều nơi Do đó lượng nước thải ngày càng gia tăng; có thể trong nước thải còn chứa một loạt các chất ô nhiễm ở dạng hữu cơ, vô cơ, vi sinh hoặc các kim loại nặng: Cr(VI), Cr(III), Mn(II), Hg(II), Pb(II),…[1] là những thành phần gây ô nhiễm và rất độc hại cho cơ thể động thực vật và môi trường Đặc biệt nước thải từ công nghiệp mạ điện, công nghiệp khai thác mỏ, thuộc da,… có nhiều crom [2, 3] Trong dung dịch nước ion Cr(III) không độc nhưng Cr(VI) rất độc hại đối với môi trường và
cơ thể người, nó gây nguy hiểm cho gan, thận, đường hô hấp và còn gây ra các bệnh về răng, miệng, kích thích da…
Trong công trình này, chúng tôi nghiên cứu, xử lí Cr(VI) có trong dung dịch nước bằng
xơ dừa và than gáo dừa là loại vật liệu đơn giản rẻ tiền, rất dễ kiếm trên toàn quốc
2 THỰC NGHIỆM
2.1 Nguyên liệu và phương pháp
2.1.1 Nguyên vật liệu - hóa chất nghiên cứu
- Các loại hóa chất: K2Cr2O7, HCl, H2SO4, muối Morh, điphenylamin, CaCl2, NaCl, là dạng
PA của Trung Quốc, than hoạt tính gáo dừa Bến Tre (than Bến Tre), nước cất một lần
Trang 2- Nguyên vật liệu: Vỏ trái dừa già được thu gom tại các nhà hàng bán nước giải khác ở thành phố Huế để sơ chế thành: Xơ dừa bằng cách bóc vỏ, xé nhỏ từ vỏ trái dừa, cắt nhỏ, sấy khô đến trọng lượng không đổi Than gáo dừa được điều chế bằng cách nung gáo dừa trong điều kiện yếm khí, rồi nghiền nhỏ đến cỡ hạt xác định
- Các dụng cụ và thiết bị sử dụng tại phòng Thí nghiệm Hóa Vô cơ Ứng dụng, khoa Hóa học bao gồm: Các cốc thủy tinh dung tích từ 100 đến 1000mL, ống đong từ 10 đến 250mL, pipet và buret các cỡ từ 0,2 đến 25mL, cột sắc ký dung tích từ 10 đến 250mL, cân kỹ thuật, cân phân tích…
2.1.2 Hoạt hóa vật liệu
- Sơ chế vật liệu: Xơ dừa được bóc vỏ, rửa sạch rồi sấy ở 80oC trong 2 giờ, sau đó cắt nhỏ thành sợi khoảng 1cm Gáo dừa phơi khô rồi nung ở điều kiện yếm khí thu được than gáo dừa Than gáo dừa được nghiền nhỏ qua rây 1mm
- Hoạt hóa vật liệu: Các loại vật liệu được hoạt hóa bằng dung dịch HCl ở các điều kiện xác định, để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HCl và thời gian hoạt hóa: + Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ HCl để hoạt hóa vật liệu bằng cách lấy 100 gam vật liệu ngâm với 1L dung dịch HCl nồng độ lần lượt là 0,5M; 0,75M; 1M; 1,25M; 1,5M; 1,75M trong 1 giờ Vật liệu sau khi hoạt hóa được rửa bằng nước cất Sau đó sấy lại ở 80oC trong 2 giờ, bảo quản trong các bao plastic
+ Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa vật liệu được tiến hành với 100 gam vật liệu ngâm với 1L dung dịch HCl có nồng độ xác định cho từng loại vật liệu là xơ dừa hay than gáo dừa với thời gian lần lượt là: 5 phút, 15 phút, 30 phút, 45 phút, 1 giờ, 2 giờ Vật liệu sau khi hoạt hóa xong, được rửa bằng nước cất Rồi sấy lại ở
80oC trong 2 giờ và bảo quản trong các bao plastic
2.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu
Các loại vật liệu hấp phụ là xơ dừa và than gáo dừa sau khi hoạt hóa và than gáo dừa Bến Tre được tiến hành hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch nước ở các điều kiện: thời gian,
pH và sự có mặt của các ion khác (Na+
, Ca2+) Từ đó tính hiệu suất của quá trình hấp
phụ theo công thức:
Cr ( VI )
o
C
Với CoCr(VI )(mg/L): nồng độ Cr(VI) trong dung dịch ban đầu
s
Cr(VI )
C (mg/L): nồng độ Cr(VI) trong dung dịch sau thí nghiệm hấp phụ
H% (%): hiệu suất hấp phụ Cr(VI) bằng xơ dừa, than gáo dừa
Nồng độ của dung dịch Cr(VI) được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch muối Morh 0,01M trong sự có mặt của chỉ thị điphenylamin
Trang 3Mỗi thớ nghiệm lặp lại 3 lần, kết quả được đỏnh giỏ trờn giỏ trị trung bỡnh Cỏc số liệu
thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm Excel và Origin
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu chưa hoạt húa
10 20 30 40 50 60 70
Thời gian hấp phụ (phút)
Xơ dừa Than gá o dừa Than Bến Tre
Hỡnh 1 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của than gỏo dừa, xơ dừa chưa hoạt
húa và than Bến Tre
Từ hỡnh 1, cú thể thấy rằng: khi thời gian hấp phụ tăng từ 30 phỳt đến 240 phỳt thỡ hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của cỏc vật liệu này tăng lờn, nhưng đến khoảng 60 phỳt thỡ khả năng hấp phụ Cr(VI) của cỏc vật liệu này bảo hũa Khả năng hấp phụ của cỏc vật liệu chưa hoạt húa là: than gỏo dừa chưa đến 40% và xơ dừa khoảng 40%, là kộm hơn nhiều
so với than hoạt tớnh gỏo dừa Bến Tre là 70% Vỡ vậy cần phải hoạt húa cỏc loại vật liệu này để tăng khả năng hấp phụ Cr(VI) là một yờu cầu cần thiết
3.2 Nghiờn cứu hoạt húa vật liệu
3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
30 40 50 60 70 80 90
Nồng độ HCl (M)
Than gá o dừa Xơ dừa
Hỡnh 2 Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
Trang 4Từ hình 2, có thể thấy rằng: khi nồng độ HCl dùng để hoạt hóa vật liệu tăng từ 0,5M đến 1,75M thì khả năng hấp phụ Cr(VI) tăng lên, nhưng đến khoảng 1,25M (đối với than gáo dừa) và 1,5M (đối với xơ dừa) thì khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu bão hòa Khả năng hấp phụ tốt nhất đối với than gáo dừa (64,71%) và xơ dừa (92,05%) ở tại nồng độ axit dùng để hoạt hóa lần lượt là 1,25M và 1,5M Vì vậy có thể chọn các nồng độ HCl này
để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo Xơ dừa cần hoạt hóa với HCl có nồng độ lớn hơn
so với than gáo dừa có thể giải thích do trong xơ dừa có hàm lượng các chất hữu cơ nhiều
hơn so với than gáo dừa nên cần lượng axit có nồng độ lớn hơn để hoạt hóa
3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
50 60 70 80 90 100
Thêi gian (phót)
X¬ dõa Than g¸ o dõa
Hình 3 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
Từ hình 3, có thể thấy rằng khi thời gian hoạt hóa than gáo dừa bằng HCl 1,25M và thời gian hoạt hóa xơ dừa bằng HCl 1,5M tăng lên thì hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của than gáo dừa và xơ dừa đều tăng dần từ 5 phút đến 30 phút thì vật liệu là than gáo dừa bắt đầu giảm Nhưng xơ dừa vẫn tăng đến khoảng thời gian 60 phút mới bắt đầu giảm Vì trong
xơ dừa có hàm lượng các chất hữu cơ lớn hơn than gáo dừa nên cần thời gian hoạt hóa lâu hơn để có thể đạt hiệu suất hấp phụ tốt
Khả năng hấp phụ tốt nhất đối với than gáo dừa hoạt hóa (79,99%) và xơ dừa hoạt hóa (92,05%) ở tại thời gian hoạt hóa lần lượt là 30 phút và 60 phút Do đó chọn các khoảng
thời gian này để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo
3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
Từ hình 4, có thể thấy rằng: khi thời gian hấp phụ tăng từ 15 phút đến 240 phút thì hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của các vật liệu tăng lên, nhưng đến 60 phút thì khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu đạt bão hòa Điều này được giải thích: theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt, các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại Liên quan đến yếu tố thời gian tiếp xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ,
Trang 5thời gian ngắn thỡ chưa đủ để cỏc trung tõm hoạt động trờn bề mặt chất hấp phụ được “lấp đầy” bởi Cr(VI) Ngược lại, khi tời gian hấp phụ càng dài thỡ lượng chất bị hấp phụ tớch tụ trờn bề mặt chất hấp phụ càng nhiều, tốc độ di chuyển ngược lại vào nước càng lớn nờn hiệu quả hấp phụ gần như khụng tăng và dần đạt về trạng thỏi cõn bằng
Khả năng hấp phụ tốt nhất đối với than gỏo dừa hoạt húa (79,99%) và xơ dừa (92,05%)
ở tại thời gian hấp phụ là 60 phỳt Chọn khoảng thời gian này để thực hiện cỏc thớ
nghiệm tiếp theo
40 50 60 70 80 90
Thời gian hấp phụ (phút)
Xơ dừa Than gá o dừa
Hỡnh 4 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của vật liệu
3.4 Ảnh hưởng của nồng độ H +
đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
60 65 70 75 80 85 90 95 100
Nồng độ HCl (M)
Xơ dừa Than gá o dừa
Hỡnh 5 Ảnh hưởng của nồng độ H + đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Trang 6Từ hỡnh 5, cú thể thấy rằng: Khi pHtăng từ 1,05 đến 2 thỡ khả năng hấp phụ của vật liệu tăng dần đến cực đại rồi giảm Điều này cú thể giải thớch do khi nồng độ H+
tăngcú thể làm tăng khả năng khuếch tỏn của cỏc ion Cr(VI) trong dung dịch từ đú làm tăng khả năng hấp phụ, nhưng khi nồng độ H+
lớnsẽ xảy ra sự hấp phụ cạnh tranh giữa ion H+ và ion Cr(VI) làm giảm khả năng hấp phụ Cr(VI)
3.5 Ảnh hưởng của ion lạ đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 30
40 50 60 70 80 90 100
Nồng dộ ion (M)
Ca2+
Na+
Hỡnh 6 Ảnh hưởng của cỏc ion Ca 2+ và Na + đến khả năng hấp phụ của xơ dừa hoạt húa
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Nồng độ ion (M)
Ca 2+
Na+
Hỡnh 7 Ảnh hưởng của cỏc ion Ca 2+ và Na + đến khả năng hấp phụ của than gỏo dừa hoạt húa
Từ hỡnh 6 và 7, cú thể thấy rằng khi cú mặt cỏc ion lạ Ca2+
; Na+ và khi nồng độ cỏc ion
lạ này tăng dần từ 0M đến 0,09M thỡ khả năng hấp phụ Cr(VI) của cỏc loại vật liệu đều giảm Điều này cú thể giải thớch do sự hấp phụ cạnh tranh giữa cỏc ion lạ với ion Cr(VI) làm giảm khả năng hấp phụ của cỏc loại vật liệu
Trang 7Với cùng một nồng độ thì khi có mặt Na+
khả năng hấp phụ của các loại vật liệu giảm mạnh hơn so với Ca2+ Điều này được giải thích là do bán kính ion Na+(0,95Å) bé hơn
so với Ca2+
(0,99Å) [4] nên khả năng hấp phụ Na+ tốt hơn so với Ca2+ làm hiệu suất hấp phụ Cr(VI) giảm mạnh hơn khi có ion Na+
3.6 Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ Cr(VI) bằng xơ dừa và than gáo dừa theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir
Hình 8 và 9 biểu diễn phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir của Cr(VI) trong dung dịch nước bằng xơ dừa và than gáo dừa
Hình 8 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của xơ dừa hoạt hóa
Từ hình 8, ta có thể tính được khả năng hấp phụ cực đại của xơ dừa hoạt hóa là: Гmax = 4,24mg/g
Hình 9 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của than gáo dừa hoạt hóa
y = 0.2369x + 2.3072 R² = 0.9859
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Nồng độ Cr(VI) lúc cân bằng (mg/L)
y = 4.0999x + 14.877 R² = 0.9627
0 20 40 60 80 100 120
Nồng độ Cr(VI) lúc cân bằng (mg/L)
Trang 8Từ hình 9 ta có thể tính được khả năng hấp phụ cực đại của than gáo dừa hoạt hóa là:
Гmax = 0,24mg/g
Các kết quả này cho thấy mô hình hấp phụ đẳng nhiệt mô tả chính xác quá trình hấp phụ Cr(VI) bằng xơ dừa và than gáo dừa Vì giá trị lí thuyết lần lượt là 4,24 (mg/g) và 0,24 (mg/g) xấp xỉ giá trị thực nghiệm là: 4,32 (mg/g) và 0,22 (mg/g)
4 KẾT LUẬN
4.1 Đã nghiên cứu hoạt hóa xơ dừa và than gáo dừa để có khả năng hấp phụ tốt Cr(VI) trong dung dịch nước bằng dung dịch HCl trong điều kiện:
+ Xơ dừa: nồng độ HCl là 1,5M với thời gian hoạt hóa là 1 giờ
+ Than gáo dừa: nồng độ HCl là 1,25M với thời gian hoạt hóa là 30 phút
4.2 Đã nghiên cứu điều kiện để hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch nước đạt tối ưu ở khoảng thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 60 phút, tại pH= 1,30 với xơ dừa và pH = 1,52 với than gáo dừa
4.3 Khi có mặt các ion lạ Na+, Ca2+ trong dung dịch Cr(VI) thì hiệu suất hấp phụ Cr(VI) bằng xơ dừa và than gáo dừa đều giảm và theo chiều Na+
> Ca2+ 4.4 Dung lượng hấp phụ cực đại Cr(VI) trên xơ dừa là khoảng 4,24 mg/g và than gáo dừa là 0,24mg/g là phù hợp và tuân theo phương trình động học Langmuir
Lời cám ơn: Các tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Võ Văn Tân đã tận tình cố vấn, để
công trình này được hoàn thành.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Thanh Hưng, Phạm Thành Quân, Lê Minh Tâm và Nguyễn Xuân Thơm (2008)
Nghiên cứu khả năng hấp phụ và trao đổi ion của xơ dừa và vỏ trấu biến tính, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 11, số 08, 5-12
[2] Võ Văn Tân (2012) Giáo trình hóa học môi trường, NXB Đại học Huế
[3] Lê Văn Cát (2002) Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lí nước thải”, NXB
Thống kê
[4] Hoàng Nhâm (2004) Hóa học vô cơ - Tập 2, NXB Giáo dục
[5] Hoàng Nhâm (2004) Hóa học vô cơ - Tập 3, NXB Giáo dục
TRẦN THỊ BÍCH THỦY
ĐOÀN HOÀNG PHƯƠNG THANH
VÕ THỊ LỢI
SV lớp Hóa 4B, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế
ĐT: 0126 663 6761, Email: bichthuy2203@gmail.com