Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ mao quản trung bình từ bã mía, ứng dụng xử lí kim loại nặng trong nước

Vật liệu vi mao quản đã được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và hấp phụ, nhưng có điểm hạn chế là không thích hợp với các phân tử lớn.. Hấp phụ vật lí Các phân tử chất bị hấp phụ liên k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ MAO QUẢN TRUNG BÌNH

TỪ BÃ MÍA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ MAO QUẢN TRUNG BÌNH

Chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ Hóa học – Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Cần Thơ, đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài

Cảm ơn toàn thể các bạn lớp Công nghệ Hóa học K36 đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Người viết

Bùi Phong Phú

LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành mía đường phát triển Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía cả nước là 310,067ha, sản lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn Năm 2010, sản lượng đường sản xuất trong

cả nước đạt 1,5 triệu tấn

Phát triển sản xuất mía đường là một định hướng đúng đắn.Tuy nhiên, các nhà máy sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ bã mía Theo tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để làm đường sinh ra một lượng phế thải khổng lồ 2,5 triệu tấn bã mía Trước đây 80% lượng bã mía này được dùng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đường, sinh ra 50.000 tấn tro Tuy là phế thải nhưng trong tro

và bã bùn lại có nhiều chất hữu cơ, và đó cũng là một nguyên nhân gây ô nhiễm mạch nước ngầm và nước mặt cũng bị ô nhiễm trầm trọng Vì vậy, nhu cầu sử dụng vật liệu hữu cơ, vô cơ để chế tạo các thiết bị lọc nước và hấp phụ các kim loại ngày càng thu hút

sự quan tâm của các nhà khoa học

Vật liệu vi mao quản đã được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác và hấp phụ, nhưng

có điểm hạn chế là không thích hợp với các phân tử lớn Để khắc phục nhược điểm trên các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra vật liệu hấp phụ mao quản trung bình từ bã mía Tuy nhiên, ở Việt Nam vật liệu này vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi

Xuất phát từ thực tế trên, em chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ

mao quản trung bình từ bã mía, ứng dụng xử lí kim loại nặng trong nước”

Mục đích của đề tài là tổng hợp vật liệu hấp phụ mao quản trung bình từ bã mía

Qua đó, mẫu xúc tác khi tổng hợp được phân tích bằng các phương pháp phân tích hóa lý như phân tích phổ hồng ngoại Sau đó ứng dụng xử lí kim loại nặng trong nước

MỤC LỤC

Nhận xét đánh giá của các bộ hướng dẫn Nhận xét và đánh giá của cán bộ chấm phản biện

Lời mở đầu i

Mục lục ii

Tóm tắt vi

Danh mục từ viết tắt vii

Danh mục hình viii

Danh mục bảng ix

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU 1

1.1 .Giới thiệu về vật liệu mao quản 1

1.1.1 Vật liệu mao quản 1

1.1.2 Vật liệu mao quản trung bình 2

1.1.3 Phân loại mao quản trung bình 3

1.1.3.1 Phân loại thành phần 3

1.1.3.2 Phân loại cấu trúc 3

1.1.4 Cơ chế hình thành vật liệu mao quản trung bình 3

1.1.4.1 Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng 4

1.1.4.2 Cơ chế sắp xếp ống 5

1.1.4.3 Cơ chế tạo lớp trung gian 5

1.1.4.4 Cơ chế gấp 6

1.1.4.5 Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc 6

1.2 Giới thiệu về vật liệu hấp phụ bã mía 6

1.2.1 Nguồn nguyên liệu 6

1.2.2 Thành phần hóa học của nguyên liệu 7

1.3 Các phương pháp phân tích 8

1.3.1 Khái quát về hấp phụ 8

1.3.1.1 Hấp phụ vật lí 8

1.3.1.2 Hấp phụ hóa học 9

1.3.1.3 Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 9

1.3.1.3.1 Nhiệt hấp phụ 9

1.3.1.3.2 Lượng chất bị hấp phụ 9

1.3.1.3.3 Sự chọn lọc hấp phụ 9

1.3.1.3.4 Sự phụ thuộc của nhiệt độ 9

1.3.1.3.5 Tính chất của các mối nối hấp phụ .10

1.3.1.3.6 Năng lượng hoạt hóa hấp phụ .10

1.3.1.3.7 Tính thuận nghịch của hấp phụ .10

1.3.1.3.8 Trạng thái của chất bị hấp phụ .11

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 11

1.3.2.1 Ảnh hưởng của dung môi 11

1.3.2.2 Ảnh hưởng của chấp hấp phụ và bị hấp phụ 12

1.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 12

1.3.3 Các phương pháp phân tích hóa lý 13

1.3.3.1 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoài 13

1.3.3.2 Phương pháp phân tích thành phần 14

1.3.3.3 Phương pháp phân tích quang phổ nhiễu xạ tia X 15

1.3.3.4 Phương pháp xác định diện tích bề mặt 15

1.3.3.5 Phương pháp electron UV-VIS .16

1.3.3.6 Sơ lược về đo kích thước hạt bằng Laser 16

2 PHẦN 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 Thiết bị, hóa chất 18

2.1.1 Thiết bị 18

2.1.2 Hóa chất 18

2.1.2.1 Chuẩn bị dung dịch gốc 18

2.1.2.2 Chuẩn bị chất chỉ thị 18

2.2 Nguyên liệu 18

2.2.1 Xử lí nguyên liệu 18

2.2.2 Chế tạo vật liệu 19

2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của ion kim loại trong nước 19

2.3.1 Định lượng kim loại 19

2.3.1.1 Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với Cu2+ .19

2.3.1.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với Pb2+ .20

2.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của của VLHP 21

2.3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian 21

2.3.2.2 Ảnh hưởng của pH 21

2.3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ 21

PHẦN 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

3.1 Kết quả phân tích hóa lý 22

3.1.1 Kết quả phân tích IR 22

3.1.2 Kết quả chụp SEM 23

3.1.3 Kết quả đo kích thước hạt 23

3.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP 24

3.2.1 Kết quả khảo sát khả năng hấp của nguyên liệu và VHHP đối với Cu2+ .24

3.2.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp của nguyên liệu và VHHP đối với Pb2+ .25

3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại của VLHP 25

3.3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại của VLHP đối với Cu2+ 25

3.3.1.1 Kết quả ảnh hưởng của thời gian 25

Kết quả ảnh hưởng của pH 27

3.3.1.3 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ 29

3.3.1.4 Cân bằng hấp phụ của ion Cu2+ .30

3.3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ kim loại của VLHP đối với Pb2+ 31

3.3.2.1 Kết quả ảnh hưởng của thời gian 31

3.3.2.2 Kết quả ảnh hưởng của pH 33

3.3.2.3 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ 35

3.3.2.4 Cân bằng hấp phụ 36

PHẦN 4 KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 38

4.1 Kết luận 38

4.2 Kiến nghị 39

Lời cảm ơn Tài liệu tham khảo

TÓM TẮT

Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng hiện nay trở nên nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người và đời sống sinh vật vì thế vấn đề xử lí kim loại nặng trong nước trở nên cấp thiết hiện nay Có rất nhiều phương pháp xử lý ion kim loại nặng hiện nay như: phương pháp kết tủa, phương pháp gia áp khuấy nổi, Tuy những phương pháp này rất đắt tiền, do vậy phương pháp hấp phụ được xử dụng rộng rãi hơn vì chi phí thấp

Các vật liệu hấp được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như: vỏ lạc, lõi ngô, bã mía, vỏ trấu, Từ đó tôi chọn đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ mao quản trung bình từ

bã mía với mục đích tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp và làm giảm ô nhiễm môi trường

Bã mía được chế tạo thành vật liệu hấp phụ mao quản trung bình và tiến hành nghiên cứu hấp phụ ion kim loại Cu2+

và Pb2+ theo phương hấp phụ bể gián đoạn và so sánh với vật liệu sơ khai ban đầu Kết quả cho thây VLHP tốt hơn nguyên liệu sơ khai với dung lượng hấp phụ cực đại đối Pb2+ là 56,18 mg.g-1 và Cu2+ là 46,73 mg.g-1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

SBA-16 Santa Barbara Amorphous - 16

BET Brunauer-Emmett-Teller (đo diện tích bề mặt riêng)

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1-1 Sơ đồ thổng quát của vật liệu mao quản 3

Hình 1-2 Cơ chế định hướng cấu trúc tinh thể lỏng 5

Hình 1-3 Cơ chế sắp xếp hình ống 5

Hình 1-4 Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc 6

Hình 1-5 Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía 8

Hình 1-6 máy phân tích thành phần 14

Hình 3-1 Phổ IR của nguyên liệu đầu 22

Hình 3-2 Phổ IR của VLHP 22

Hình 3-3 Ảnh SEM của nguyên liệu 23

Hình 3-4 Ảnh SEM của VLHP 23

Hình 3-5 Đồ thị phân bố đo kích thước hạt 24

Hình 3-6 Sự phụ thuộc của thời gian đến dung lượng hấp phụ với ion Cu2+ 27

Hình 3-7 Sự phụ thuộc của pH đến dung lượng hấp phụ của VLHP đối với ion Cu2+ 28

Hình 3-8 Sự phụ thuộc của nồng đọ đến dung lượng hấp phụ của VLHP đối với ion Cu2+ 30

Hình 3-9 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu2+ 31

Hình 3-10 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccbcủa Cu2+ 31

Hình 3-11 Sự phụ thuộc của thời gian đến dung lượng hấp phụ với ion Pb2+ 33

Hình 3-12 Sự phụ thuộc của pH đến dung lượng hấp phụ của VLHP đối với ion Pb2+ 34

Hình 3-13 Sự phụ thuộc của nồng độ đến dung lượng hấp phụ của VLHP đối với ion Pb2+ 36

Hình 3-14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Pb2+ 36

Hình 3-15 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccbcủa Pb2+ 37

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1-1 Thành phần hoá học của bã mía 7

Bảng 3-1 So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với Cu2+ 24

Bảng 3-2 So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với ion Pb2+ 25

Bảng 3-3 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp của VLHP đối với ion Cu2+ 25

Bảng 3-4 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp của VLHP đối với ion Cu2+ 27

Bảng 3-5 Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp của VLHP đối với ion Cu2+ 29

Bảng 3-6 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp của VLHP đối với ion Pb2+ 32

Bảng 3-7 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp của VLHP đối với ion Pb2+ 33

Bảng 3-8 Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp của VLHP đối với ion Pb2+ 35

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU

2.4 Giới thiệu về vật liệu mao quản 2.4.1 Vật liệu mao quản

Thông thường người ta sử dụng các đại lượng sau đây để đặc trưng cho cấu trúc

Phân bố kích thước của các mao quản hoặc phân bố lỗ xốp dựa trên những giả thiết về hình dáng mao quản Sự phân bố đó được xác định theo sự biến đổi của thể tích hoặc bề mặt của lỗ xốp với kích thước mao quản

Theo qui định của IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry),

có thể phân chia VLMQ thành 3 loại sau đây:

• VLMQ lớn: d > 50 nm

• VLMQ trung bình: 2 < d < 50 nm

(m2.g-1) (1.1)

• VLMQ vi mao quản : d < 2 nm (d: đường kính trung bình của mao quản ) Kích thước trung bình của mao quản được xác định theo sự phân bố diện tích hay thể tích nói trên Song trong một số trường hợp có thể tính toán một cách gần đúng theo công thức:

V d nS

Trong đó: n: thừa số hình dáng Với mao quản hình trụ: n = 0,5 S: bề mặt riêng của VLMQ V: thể tích mao quản

(Trích từ http://tailieu.vn/doc/ky-thuat-xuc-tac-1070907.html, ngày 23/11/2014)

2.4.2 Vật liệu mao quản trung bình

Vật liệu mao quản trung bình được phát hiện do các nhà khoa học nghiên cứu tổng hợp thành công vào đầu thập niên 90 của thế kỷ 20 Hai nhóm nghiên cứu độc lập người Nhật Bản và Mỹ vật liệu silicat có cấu trúc trật tự, được gọi là rây phân tử MQTB (MMS) Đến nay có nhiều loại vật liêu MQTB khác ra đời như M41S, FSM, HMS, SBA-

15 và SBA-16, Các vật liệu có kích thước mao quản đồng đều và dao động khoảng 20–

100A0, kích thước này rộng hơn kích thước của zeolite từ 3 đến 4 lần và diện tích bề mặt riêng vô cùng lớn (500 – 1000 m2

.g-1) Do có nhiều ưu điểm nên vật liệu MQTB có tiềm năng phát triển lớn trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ, khắc phục được nhược điểm của vật liêu vi mao quản

Theo danh pháp IUPAC, dựa trên kích thước mao quản, vật liệu rắn xốp được chia

là 3 loại: vi mao quản (đường kính d < 2nm), MQTB (2 < d < 50 nm) và đại mao quản d

> 50 nm (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

(1.2)

2.4.3 Phân loại mao quản trung bình 2.4.3.1 Phân loại thành phần

Vật liệu MQTB chứa silic gồm có: MCM-41, MCM-8, SBA-15, Ti-MCM-41, MCM-41, Fe-MCM-41 (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

Al-Vật liệu MQTB không chứa silic như: TiO2, Fe2O3, ZrO2, (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

2.4.3.2 Phân loại cấu trúc

Cấu trúc lục lăng (hexagonal): MCM-41, SBA-16,

Cấu trúc lập phương (cubic): MCM-48, SBA-16,

Cấu trúc lớp (laminar): MCM-50,

Cấu trúc không trật tự (disordered): KIT-1, L3,

(Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

2.4.4 Cơ chế hình thành vật liệu mao quản trung bình

Hiện nay có rất nhiều cơ chế được đưa ra để giải thích quá trình hình thành các vật liệu MQTB Tuy nhiên các cơ chế này đều có một đặc điểm chung là có sự tương tác của chất ĐHCT với chất vô cơ trong dung dịch Để tổng hợp mao quản trung bình cần có ít nhất 3 thành phần: chất ĐHCT đóng vai trò làm tác nhân định hướng cấu trúc vật liệu, nguồn vô cơ như để tạo nên mạng lưới mao quản và dung môi ( nước, bazơ,…) thường đóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh Sơ đồ chung có thể mô tả

Hình 1.1 Sơ đồ thổng quát của vật liệu mao quản

Chất định hướng cấu

trúc

+ Tiền chất Slicat

Do có nhiều loại tương tác khác nhau giữa các tiền chất vô cơ với các chất HĐBM dẫn đến các cơ chế tổng hợp khác nhau, phương pháp tổng hợp khác nhau và kết quả là tạo ra các hợp chất MQTB có hình dáng và kích thước mao quản khác nhau Có một số

cơ chế như:

2.4.4.1 Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng

Cơ chế định hướng theo tinh thể lỏng được các nhà nghiên cứu của hãng Oil đưa ra để giải thích cho sự hình thành của họ vật liệu mao quản trung bình M41S

Mobil-Cấu trúc vật liệu MQTB phụ thuộc vào độ dài của mạch cacbon cũng như nhóm chức của chất ĐHCT, phụ thuộc vào nồng độ của chất ĐHCT Theo cơ chế này trong dung dịch các chất ĐHCT tự sắp xếp thành pha tinh thể lỏng có dạng mixen ống, thành ống là các đầu ưa nước của các phân tử chất ĐHCT và đuôi mạch hydrocacbon dài kỵ nước hướng vào phía trong Những mixen ống này đóng vai trò chất tạo cấu trúc và sắp xếp thành cấu trúc tinh thể dạng lục lăng

Sau khi thêm nguồn silic vào dung dịch, các phần tử chứa silic tương tác với các đầu phân cực của chất ĐHCT thông qua các tương tác tĩnh điện (S I ,S I trong đó S là chất ĐHCT, I là tiền chất vô cơ) hoặc tương tác hydro (S I0 0) và hình thành nên lớp màng silicat xung quanh mixen ống Quá trình polymer hoá ngưng tụ silicat tạo nên tường vô định hình của vật liệu oxyt silic MQTB Cơ chế này được thể hiện theo đường Nhưng trong những nghiên cứu về cơ chế hình thành bằng các phương pháp hiện đại thì người ta

đã đưa ra cơ chế hình thành cấu trúc tinh thể lỏng là theo đường, vì nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp hơn nhiều so với nồng độ mixen tới hạn Như vậy, các mixen ống không tự sắp xếp thành cấu trúc tinh thể lỏng mà cấu trúc này chỉ hình thành sau khi thêm tiền chấtvô cơ, trong nghiên cứu này nguồn chất vô cơ là silicat, và các silicat ống hình thành sau khi thêm nguồn silicat sẽ tự sắp xếp thành cấu trúc lục lăng (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

Hình 1.2 Cơ chế định hướng cấu trúc tinh thể lỏng

2.4.4.2 Cơ chế sắp xếp ống

Bằng việc nghiên cứu phổ cộng hưởng từ hạt nhân 14N, David thấy rằng không xuất hiện pha tinh thể lỏng trong quá trình tổng hợp vật liệu MQTB MCM-41 Do vậy người ta giả thiết rằng ban đầu 2 hoặc 3 lớp mỏng silicat phủ lên trên mỗi mixen ống chất hoạt động bề mặt riêng biệt, các ống này bắt đầu sắp xếp hỗn loạn, sau đó mới sắp xếp thành cấu trúc lục lăng, thực hiện quá trình gia nhiệt và làm già dẫn đến quá trình ngưng

tụ của silicat tạo thành hợp chất MQTB (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

Hình 1.3 Cơ chế sắp xếp hình ống

2.4.4.3 Cơ chế tạo lớp trung gian

Silicat tập hợp thành các lớp và giữa bề mặt tiếp xúc của các ống hình trụ có tương tác Cơ chế gồm các giai đoạn sau: hỗn hợp ban đầu có cấu trúc lớp mỏng được hình thành từ lực tĩnh điện giữa các anion silicat và cation chất hoạt động bề mặt Khi các phân tử silicat ngưng tụ, làm mật độ điện tích của chúng giảm Cùng với quá trình này, các lớp silicat bị uốn cong để cân bằng mật độ điện tích với nhóm chức của chất hoạt động bề mặt Do đó cấu trúc MQTB lớp mỏng chuyển hoá thành cấu trúc mao quản trung bình lục lăng (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

2.4.4.5 Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc

Steel nhận thấy ở điều kiện nhiệt độ thấp và độ pH cao (xấp xỉ 14) và khi có mặt silicat thì các phân tử chất hoạt động và silicat đồng tập hợp tạo ra tinh thể lỏng dạng lục lăng Sấy và nung pha trên sẽ tạo ra vật liệu MQTB

Các cơ chế này đều dựa trên sự tương tác của chất ĐHCT với nguồn chất vô cơ

Tùy theo chất ĐHCT mà có sự tương tác khác nhau do đó đặc tính, cấu trúc khác nhau được hình thành (Nguyễn Thị Trâm Anh, 2011)

Hình 1.4 Cơ chế phối hợp tạo cấu trúc

2.5 Giới thiệu về vật liệu hấp phụ bã mía 2.5.1 Nguồn nguyên liệu

Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành mía đường phát triển Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía cả nước là 310,067 ha, sản

lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn Theo quy hoạch phát triển mía đường đến năm 2010, sản lượng đường sản xuất trong cả nước phấn đấu đạt 1,5 triệu tấn

Phát triển sản xuất mía đường là một định hướng đúng đắn.Tuy nhiên, các nhà máy sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ bã mía Theo tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để làm đường sinh ra một lượng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía Trước đây 80% lượng bã mía này được dùng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đường, sinh ra 50.000 tấn tro Tuy là phế thải nhưng trong tro

và bã bùn lại có nhiều chất hữu cơ Các chất này sau sẽ là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và ô nhiễm nguồn nước rất nặng Bã mía cũng có thể được dùng làm bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, cao hơn là làm ra furfural là nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp Trong tương lai khi mà rừng ngày càng giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy, làm sợi từ cây rừng giảm đi thì bã mía là nguyên liệu quan trọng để thay thế

2.5.2 Thành phần hóa học của nguyên liệu

Bã mía chiếm khoảng 26,8 - 32% lượng mía ép Trong bã mía chứa trung bình khoảng 50% là nước, 48 ÷ 49% là xơ (trong đó chủ yếu là xenlulozơ và hemixenlulozơ) 1

- 2% là đường Tùy theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hoá học

có trong bã mía khô (xơ) có thể biến đổi Hàm lượng % các thành phần hoá học chính của

bã mía được chỉ ra trong bảng (Hoàng Ngọc Hiền, CTV, 2008)

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của bã mía

Hình 1-5.Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía

2.6 Các phương pháp phân tích 2.6.1 Khái quát về hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí lỏng, lỏng – lỏng) Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ Đó là quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.1 Hấp phụ vật lí

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên

bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ không lớn (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

Lignin

Hemixenlulzơ

Xenlulozơ

2.6.1.2 Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.3 Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Có thể phân biệt hấp phụ hóa học và lý học ở những điểm sau:

2.6.1.3.1 Nhiệt hấp phụ

Nhiệt hấp phụ hóa học khá lớn, từ 40 ÷ 800 kJ/mol, nhiều khi gần bằng nhiệt của phản ứng hóa học Vì vậy nó tạo thành mối nối hấp phụ khá bền và muốn đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt xúc tác rắn cần nhiệt độ khá cao

Nhiệt hấp phụ lý học thường không lớn, gần bằng nhiệt hóa lỏng hay bay hơi của chất bị hấp phụ ở điều kiện hấp phụ và thường nhỏ hơn 20 kJ/mol (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.3.2 Lƣợng chất bị hấp phụ

Hấp phụ hóa học xảy ra rất ít, không hơn một lớp trên bề mặt xúc tác (đơn lớp)

Hấp phụ lý học có thể tạo thành nhiều lớp (đa lớp) (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.3.3 Sự chọn lọc hấp phụ

Hấp phụ hóa học có tính chất chọn lọc cao, phụ thuộc vào tính chất bề mặt chất rắn và tính chất của chất bị hấp phụ

Hấp phụ lý học không có sự chọn lọc, tất cả các bề mặt chất rắn đều có tính chất hấp phụ lý học (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.3.4 Sự phụ thuộc của nhiệt độ

Hấp phụ lý học thường xảy ra ở nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ tăng thì lượng chất hấp phụ giảm

Hấp phụ hóa học thường tiến hành ở nhiệt độ cao hơn hấp phụ lý học, ở nhiệt độ thấp thì lượng chất hấp phụ hóa học giảm và khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tối ưu thì lượng chất hấp phụ hóa học cũng giảm (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.3.5 Tính chất của các mối nối hấp phụ

Hấp phụ hóa học tạo thành mối nối bền vững và tính chất gần giống như mối nối hóa học Chúng có thể là mối nối hóa trị, ion, đồng hóa trị Trong quá trình tạo thành mối nối có sự di chuyển điện tử giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ, tức là có tác dụng điện tử phần tử hấp phụ và bề mặt chất rắn (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

Hấp phụ lý học không hình thành mối nối Sự tương tác giữa phân tử bị hấp phụ với các electron của chất rắn rất yếu Giữa chất rắn và phân tử bị hấp phụ được coi như là

2 hệ thống, không phải là một hợp chất thống nhất (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.1.3.6 Năng lƣợng hoạt hóa hấp phụ

Hấp phụ hóa học tiến hành chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gần bằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách giữa các nguyên

tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn

Hấp phụ lý học tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng không (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

Hấp phụ trong dung dich là là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là chất tan hấp phụ càng mạnh thì dung môi hấp phụ càng yếu Vì chất hoạt động bề mặt là có sức căng bề mặt nhỏ, cho nên nếu dùng dung môi có sức căng bề càng lớn (tức càng khó hấp phụ) thì chất tan càng dễ hấp phụ Vì vậy đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung môi nước (có sức căng bề mặt lớn) ưu việt hơn so với so với dung môi hữu cơ (có sức căng bề mặt bé) (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

Một số tiểu chuẩn khác để chọn dung môi thích hợp cho sự hấp phụ từ dung dịch

là nhiệt thấm ướt Dung môi có nhiệt độ thấm ướt đối với một bề mặt cho sẵn càng cao,

có nghĩa là tương tác dung môi và bề mặt càng mạnh thì chất tan càng khó hấp phụ lên bề mặt đó (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

Một quy luật thường gặp là chất tan càng dễ tan thì càng khó hấp phụ lên bề mặt,

là nguyên nhân làm đảo ngược quy tắc Traube Ví dụ khi hấp phụ các axit béo trên silicagen (bề mặt ưa nước) trong dung môi benzene, thì khi tăng khối lượng phân tử của axit, sự hấp phụ không tăng như quy tắc Traube đòi hỏi, mà lại giảm, vì phân tử càng dài thì càng dễ tan trong dung môi không phân cực (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

1.3

sự hấp phụ sẽ bị cản trở Đây cũng là một nguyên nhân làm đảo ngược qui tắc Traube Ví

dụ khi hấp phụ các axit béo trên chất hấp phụ có mao quản nhỏ, thì với sự kéo dài mạch hidrocacbon đại lượng hấp phụ (đặc trưng bằng hệ số k’ trong phương trình Freundlich không tăng lên như quy tắc Traube đòi hỏi, mà lại giảm xuống như sau

Theo quy tắc giảm nhẹ đọ phân cực của Rebinder, thì chất C có khả năng Hấp phụ trên bề mặt phân cách giữa 2 pha A và B, nếu sự có mặt của C trong lớp bề mặt làm giảm

sự chênh lệch của độ phân cực giữa các pha đó Nói cách khác, nếu dùng độ thấm điện môi ε để đặc trưng cho độ phân cực thì sự hấp phụ chất C sẽ xảy nếu thỏa mãn điều kiện

ε A> εC> εB hoặc εA< εB< εC

Dựa vào quy tắc này, ta có thể giải thích được sự định hướng của phân tử chất hoạt động bề mặt trên bề mặt phân cách pha: phần phân cực hướng về pha phân cực, phần không phân cực hướng về pha không phân cực Dựa trên cơ sở này mà trong thực tế người ta thường sử dụng những chất hấp phụ phân cực (silicagen, đất xét, floriddin) để hấp phụ các hoạt động bề mặt trong môi trường không phân cực như benzene… và những chất hấp phụ ko phân cực như (than) trong môi trường phân cực như nước (Trần Văn Nhân, CTV, 2006)

2.6.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi tăng niệt độ, sự hấp phụ trong dung dịch giảm, nhưng thường ở mức độ ít hơn

so với sự hấp phụ khí Tuy nhiên, đối với những cấu tử hòa tan hạn chế mà khi tăng nhiệt

độ tan tăng lên, thì khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên, vì nồng độ của nó trong dung dịch được tăng lên, hình biểu diễn các trường hợp khác nhau về ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp phụ Trong trường hợp sự hấp phụ của Benzen trong dung môi n-hexan (hòa

tan không hạn chế) trên bề mặt SiO2 hydroxyl hóa, độ hấp phụ khi nhiệt độ tăng, nhưng đói với sự hấp phụ của naphtalen trong dung môi n-heptan và cũng trên chất hấp phụ đó, thì khi nhiệt độ tăng, độ hấp phụ tăng Nguyên nhân do naphtalen hòa tan hạn chế và kết tinh trong n-heptan Việc tăng nhiệt độ làm tăng nồng độ bão hòa của naphtalen trong dung dịch, dẫn đến sự tăng độ hấp phụ Còn nếu so sánh sự hấp ở cùng một nồng độ thì cũng như trong trường hợp benzene, khi tăng nhiệt độ, độ hấp phụ của naphtalen giảm

tử vv ) là phương pháp cung cấp thông tin về cấu trúc cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp

Kỹ thuật này dự trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hóa học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hóa học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ hồng ngoài

Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết trong phân tử hóa học, bởi vậy phỏ hồng ngoài của một hợp chất hóa học coi như “dấu vân tay” căn cứ vào đó để nhận dạng chúng

Phổ hấp thụ hồng ngoại là phổ dao động quay vì hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì các chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích Bức xạ hồng ngoại có đọ dài sóng từ 0.8 đến 1000μm và chia thành 3 vùng:

 Cận hồng ngoại ( near infrared) λ = 0.8 – 2.5 μm

 Trung hồng ngoại ( medium infrared) λ = 2.5 – 50 μm

 Viễn hồng ngoại ( far infrared) λ = 50 – 100 μm

Trong thực tế, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T% truch hoành biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 – 400 cm-1) (Trần Anh Duy, CTV, 2011)

2.6.3.2 Phương pháp phân tích thành phần

Cân 0.1 g mẫu cho vào cốc nhựa, thêm vào 10 ml axit HF, lắc nhẹ đến khi chất rắn

hòa tan hoàn toàn ta thu được dung dịch trong suốt

Pha loãng dung dịch trên 1000 lần, sau đó đem đi phân tích bằng phương pháp phổ

hấp phụ nguyên tử trên máy Spectro Genesis

Phương pháp phân tích phổ hấp phụ nguyên tử dùng để phân tích lượng nhỏ các kim loại trong các mẫu khác nhau của các hợp chất vô cơ và hữu cơ Phương pháp này có thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và 1 số á kim nồng độ giới hạn cỡ ppm (microgram) đến nồng độ ppb (nanogram) (Nguyễn Thị Trâm Anh,

2011)

Hình 1-6 Máy phân tích thành phần

Nguyên tắc của phương pháp

Trong điều kiện bình thường nguyên tử cũng không thu và không phát năng lượng với dạng bức xạ Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản Đó là trạng thái bền vững

và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, ta chiếu vào mẫu cần đo ánh sáng có cường độ nhất định, các điện tử của các nguyên tố tồn