Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU TÁCH ION Cu2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BENTONIT THUẬN HẢI" potx

NGHIÊN CỨU TÁCH ION Cu2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BENTONIT THUẬN HẢI A STUDY ON THE REMOVAL OF Cu 2+ IONS IN AQUEOUS SOLUTIONS USING THUANHAI BENTONITE LÊ TỰ HẢI Tr

NGHIÊN CỨU TÁCH ION Cu2+

TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU

HẤP PHỤ BENTONIT THUẬN HẢI

A STUDY ON THE REMOVAL OF Cu 2+ IONS IN AQUEOUS SOLUTIONS USING THUANHAI BENTONITE

LÊ TỰ HẢI

Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian khuấy, pH dung dịch, nồng độ bentonit, nồng độ

Cu2+, nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Cu2+ trên bentonit Thuận Hải đã được khảo sát Hiệu suất hấp phụ tối ưu đạt 99,86% ở điều kiện: thời gian khuấy 80 phút, nồng độ bentonit 0,5 g/

100 ml dung dịch, nồng độ Cu2+ 150 mg/l, pH = 5,0 Các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ được xác định ở nhiệt độ 30, 40, 50, 60oC Kết quả cho thấy quá trình hấp phụ Cu2+ trên bentonit là thu nhiệt và tự xảy ra (Ho = 27,60Kj/mol, Go < 0) Quá trình hấp phụ Cu2+ tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

ABSTRACT

The influence of different factors such as shaking time, pH of aqueous solution, amount of adsorbent, Cu2+ concentration and temperature on the absorption ability of Cu2+ on the Thuanhai bentonite have been also investigated Maximum absorption of 99,86% was achieved under optimized conditions of 80 min of shaking time, pH 5.0, amount of bentonite 0.5g and Cu2+ concentration of 150 mg in 100 cm3 solution Thermodynamic parameters for the sorption system have been determined at 30oC, 40oC, 50oC and 60oC The results show that the sorption of Cu2+ on bentonite is an endothermic and spontaneous process (Ho 27.16Kj/mol, Go < 0) The absorption of Cu2+ on bentonite followed the Freundlich isotherm.

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đồng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và động vật Tuy nhiên, khi hàm lượng đồng trong cơ thể người đạt từ 60 – 100 mg/1kg thể trọng thì gây ngộ độc buồn nôn Với loài vi khuẩn lam, khi nồng độ đồng trong nước 0,01 mg/l sẽ làm chúng chết Ngoài ra, ion Cu2+ còn liên kết với màng tế bào, ngăn cản quá trình vận chuyển vật chất qua màng gây ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất [1]

Sự ô nhiễm Cu2+ trong môi trường nước được gây ra bởi các nhà máy luyện kim, công nghệ mạ, các mỏ khoáng sản Một số phương pháp đã được sử dụng để tách Cu2+ như điện phân, thẩm thấu ngược, xử lý hoá học hay hấp phụ [2,3,4]

Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu quá trình tách Cu2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ bentonit Thuận Hải

2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Vật liệu hấp phụ bentonit được tinh chế từ nguồn bentonit Thuận Hải thô như [5] với thành phần hoá học (% khối lượng): SiO2 = 59,80, Fe2O3 = 1,28, CaO = 13,90, MgO = 0,30, MKN (mất khi nung) = 11,80; diện tích bề mặt là 22,14 m2/g và đường kính mao quản trung bình là 51,16Ao

Quỏ trỡnh hấp phụ được tiến hành bằng kỹ thuật bể ở tốc độ khuấy 300 vũng/phỳt với

100 ml dung dịch Cu2+ cú nồng độ xỏc định được pha từ dung dịch gốc Cu(NO3)2 1000 mg/l

pH dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH, HNO3 Cỏc hoỏ chất đều cú mức độ tinh khiết phõn tớch và được pha chế trong nước cất hai lần

Ảnh hưởng của cỏc yếu tố như thời gian khuấy, pH dung dịch, nồng độ bentonit, nồng

độ Cu2+, nhiệt độ đến quỏ trỡnh hấp phụ đó được khảo sỏt

Sau khi hấp phụ tại cỏc khoảng thời gian xỏc định, huyền phự được ly tõm trong 30 phỳt (tốc độ 4000 vũng/phỳt) và phõn tớch nồng độ Cu2+ trong dung dịch thu được bằng phương phỏp quang phổ hấp thụ nguyờn tử trờn mỏy AAS – 100 PE

Hiệu suất quá trình hấp phụ (%A) và hằng số phân bố Kd được tính như sau [4]:

100

%

o

e o C

C C

) / (cm3 g m

V C

C C K

e

e o d



Trong đó Co: nồng độ Pb2+

trước xử lý, Ce: nồng độ Pb2+

cân bằng sau xử lý, V: thể tích dung dịch, m: khối lượng bentonit

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của thời gian khuấy

Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ Cu2+ trờn bentonit được nghiờn cứu trong điều kiện: nồng độ Cu2+ 150 mg/l, nồng độ bentonit 0,3 g/ 100 ml, pH = 5,0, nhiệt

độ 30oC Thời gian khuấy thay đổi từ 10 ữ 120 phỳt Kết quả thu được thể hiện ở hỡnh 1

40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80 100 120

thời gian (phỳt)

Hỡnh 1 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Cu 2+

Hỡnh 1 cho thấy, khi thời gian khuấy tăng thỡ hiệu suất hấp phụ tăng và cõn bằng hấp phụ đạt được sau 80 phỳt Vỡ vậy, thời gian khuấy 80 phỳt được chọn làm thời gian tối ưu cho cỏc nghiờn cứu tiếp theo

3.2 Ảnh hưởng của pH dung dịch

Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+ được khảo sỏt trong vựng

pH = 1,5 ữ 7,0 với điều kiện: nồng độ Cu2+ 150 mg/l, nồng độ bentonit 0,3 g/l, nhiệt độ 30oC, thời gian khuấy 80 phỳt Kết quả thu được thể hiện ở hỡnh 2

Trong vựng pH = 1,5 ữ 5,0 hiệu suất quỏ trỡnh hấp phụ tăng khi pH tăng và giảm nhẹ ở

pH = 6,0 ữ 7,0 Nguyờn nhõn ảnh hưởng của pH đến quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+trờn bentonit

được giải thích như [5] Đó là do sự hấp phụ cạnh tranh của H+ và sự tích điện dương trên bề mặt bentonit ở vùng pH thấp; còn ở vùng pH = 6,0 ÷ 7,0 đã có xuất hiện kết tủa Cu(OH)2 nên hiệu suất hấp phụ giảm Vì vậy, dung dịch có pH = 5,0 được chọn cho quá trình tách Cu2+

-20 0 20 40 60 80 100 120

pH

Hình 2 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Cu 2+

3.3 Ảnh hưởng của nồng độ bentonit

Ảnh hưởng của nồng độ bentonit được khảo sát trong điều kiện: nồng độ Cu2+ 150 mg/l, pH = 5,0, thời gian khuấy 80 phút, nhiệt độ 30oC Nồng độ bentonit thay đổi từ 0,1 ÷ 1,5 g/100 ml Kết quả sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Cu2+ và hằng số phân bố Kd vào nồng

độ bentonit được thể hiện ở hình 3

Hình 3 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ bentonit đến hiệu suất hấp phụ và hằng số phân bố K d

Kết quả cho thấy, hiệu suất hấp phụ và hằng số phân bố tăng khi nồng độ bentonit tăng từ 0,1 đến 0,5 g/ 100 ml Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ bentonit thì hiệu suất hấp phụ tăng không đáng kể, trong khi đó Kd lại giảm Vì vậy, nồng độ bentonit 0,5 g/ 100 ml là nồng độ tối ưu cho quá trình tách Cu2+

3.4 Ảnh hưởng của nồng độ Cu 2+

Hình 4 thể hiện ảnh hưởng của nồng độ Cu2+ đến quá trình hấp phụ ở điều kiện: thời gian khuấy 80 phút, nồng độ bentonit 0,5 g/ 100 ml, nhiệt độ 30oC Nồng độ Cu2+ thay đổi từ

75 ÷ 240 mg/l

80

85

90

95

100

0 0.5 1 1.5 2

C - bent (g/100ml)

0 5000 10000 15000 20000

C - be nt (g/100ml)

-100000 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

C (Cu2+) mg/l

Hỡnh 4 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ Cu 2+ đến hiệu suất hấp phụ và hằng số phõn bố K d

Như vậy, hiệu suất hấp phụ và hằng số phõn bố Kd giảm mạnh khi nồng độ Cu2+ tăng

3.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich được áp dụng cho quá trình hấp phụ Cu2+ trên bentonit [4]:

e

C n

K m

x

lg

1 lg

Trong đó Ce là nồng độ Cu2+ cân bằng (g/ml), x/m là lượng Cu2+ bị hấp phụ (g/mg),

K và n là hằng số liên quan đến nhiệt độ và đặc trưng cho hệ hấp phụ

Đồ thị lgx/m – lgCe được xõy dựng và thể hiện ở hỡnh 5

2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60

-1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

Lg Ce

Hỡnh 5 Đồ thị Freundlich cho quỏ trỡnh hấp phụ Cu 2+ trờn bentonit

Kết quả cho thấy, sự hấp phụ Cu2+ trờn bentonit tuõn theo đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Từ đồ thị tớnh được giỏ trị K = 102,20 và n = 5,73 Giỏ trị của n = 5,73 chứng tỏ quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+ trờn bentonit xảy ra tốt

3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khảo sỏt ảnh hưởng của nhiệt độ đến quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+ trong điều kiện: nồng độ bentonit 0,5 g/ 100 ml, nồng độ Cu2+ 150 mg/l, pH = 5,0, thời gian khuấy 80 phỳt tại cỏc nhiệt

độ 30, 40, 50, 60oC Cỏc giỏ trị nhiệt động Ho, So, Go được xỏc định thụng qua phương trỡnh sau [4]:

95

96

97

98

99

100

101

C(Cu2+) mg/l

S RT

H

K d  

Đồ thị lnKd – 1/T được thể hiện ở hỡnh 6

10.80 11.00 11.20 11.40 11.60 11.80 12.00

2.90 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40

Hỡnh 6 Đồ thị lnK d – 1/T cho quỏ trỡnh hấp phụ Cu 2+

Từ đồ thị, cỏc giỏ trị nhiệt động được tớnh toỏn và thu được kết quả sau: Ho = 27,60Kj/mol, So = 0,182 Kj/K.mol và Go = -27,546 Kj/mol, -29,366 Kj/mol, -31,186 Kj/mol, -33,006 Kj/mol ở cỏc nhiệt độ 303K, 313K, 323K, 333K tương ứng

Giá trị Ho

> 0, So

> 0 và sự giảm Go

khi tăng nhiệt độ cho thấy quá trình hấp phụ

Cu2+

trên bentonit là thu nhiệt và tự xảy ra Sự tăng entropi trong quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+ trờn bentonit được giải thớch tương tự như [5]

4 KẾT LUẬN

Kết quả nghiờn cứu thu được một số kết luận sau:

- Bentonit Thụõn Hải tinh chế cú thể được sử dụng làm vật liệu hấp phụ để tỏch ion

Cu2+ trong nước

- Hiệu suất hấp phụ Cu2+ trờn bentonit chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và đạt 99,86%

ở điều kiện tối ưu: thời gian khuấy 80 phỳt, nồng độ bentonit 0,5 g/100 ml dung dịch, nồng độ Cu2+ 150 mg/l, pH = 5,0, nhiệt độ 30oC

- Quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+ trờn bentonit là tự xảy ra và thu nhiệt

- Quỏ trỡnh hấp phụ Cu2+ tuõn theo đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Giỏ trị n = 5,73 cho thấy quỏ trỡnh hấp phụ là thuận lợi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lờ Huy Bỏ, Độc học mụi trường, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2000

[2] Lờ Văn Cỏt, Cơ sở hoỏ học và xử lý nước, NXB KH & KT, Hà Nội, 1999

[3] Trần Văn Nhõn, Ngụ Thị Nga, Giỏo trỡnh cụng nghệ xử lý nước thải, NXB KH & KT,

Hà Nội, 2005

[4] M I Panayotova, Kinetics and thermodynamics of copper ions removal from waste

water by use of zeolite, Waste Management 21 (2001) 671-676

[5] Lờ Tự Hải, Nghiờn cứu thành phần, cấu trỳc và khả năng hấp phụ ion Pb 2+ trong

dung dịch nước của bentonit Thuận Hải, Hội nghị toàn quốc cỏc đề tài nghiờn cứu cơ

bản trong lĩnh vực Hoỏ lý và Hoỏ lý thuyết, Hà Nội 12/2005, 25 – 32

1/T 10-3