Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu chế tạo từ sắt(III) nitrat, silicat và phophat và thăm dò xử lý môi trường

Ngoài các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, một số vật liệu hấp phụđược chế tạo từ hóa chất tinh khiết cũng được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứunhằm mục đích hấp phụ các ion kim

Trang 1

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Mn(II), Ni(II) CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ SẮT(III) NITRAT, SILICAT VÀ PHOTPHAT VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH

Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận của luận văn chưa công bốtrong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015

Tác giả luận văn

Năng Hồng Nhung

Xác nhận của Giáo viên hướng dẫn

TS Ngô Thị Mai Việt

Xác nhận của Trưởng khoa Hóa học

PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u – ĐHTN h ttp : // w w w l rc t n u e du .vn

i

Trang 3

Số hóa bởi Trung tâm Họ c liệ u –

ĐHTN ii h ttp : // w w w l rc. t n u e du .vn

LỜI CẢM ƠN

, các bạnlàm luận văn cùng các em sinh viên nghiên cứu khoa học trong Khoa Hóa học,

, cô đã giao đề tài

Do khả năng thực nghiệm còn hạn chế và do một số yếu tố khách quankhác nên luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mongnhận được sự góp ý và chỉ bảo của các Thầy Cô để luận văn của em được hoànchỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2015

Học viên

Năng Hồng Nhung

Trang 4

MỞ ĐẦU 1

31.3 Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 51.3.1 Phương pháp trao đổi ion

7

hấp

phụ 8

9

Trang 5

ĐHTN 4 h ttp : // w w w l rc. t n u e du .vn

1.4.5 Quá trình hấp phụ động trên cột .11

1.5 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử .13

1.5.1 Nguyên tắc .13

1.5.2 Phương pháp đường chuẩn .14

1.6 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu hấp phụ 15

1.6.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 15

1.6.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 15

1.6.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 16

Trang 6

1.6.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 17

vật liệu chế tạo từ hóa chất .17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 20

2.1 Thiết bị và hóa chất 20

2.1.1 Thiết bị 20

2.1.2 Hóa chất .20

21

2.3 Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lí của vật liệu hấp phụ .22

2.3.1 Ảnh SEM của vật liệu hấp phụ 22

2.3.2 Diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ 22

2.3.3 Phổ hồng ngoại của vật liệu hấp phụ .23

2.3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu hấp phụ 23

2.4 Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ 25

26

2.5.1 Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn(II) 26

2.5.2 Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Ni(II) 27

2.5.3 Dựng đường chuẩn .28

2.5.4 Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phép đo 36

2.6 Nghiên cứu khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh 37

3

8 .39

2.6.3 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 42

u 43

(II), Zn(II), Al(III) 46

Trang 7

56 57

Trang 8

Trang 9

v DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp 4

25

Bảng 2.2 Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn(II) 26

Bảng 2.3 Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Ni(II) 27

Bảng 2.4 Các thông số đường chuẩn của Mn(II) 30

Bảng 2.5 Các thông số đường chuẩn của Ni(II) 32

Bảng 2.6 Các giá trị b’ của đường chuẩn Mn(II) 33

Bảng 2.7 Giá trị phương sai của Mn(II) 34

Bảng 2.8 Các giá trị b’ của đường chuẩn Ni(II) 35

Bảng 2.9 Giá phương sai của Ni(II) 35

Bảng 2.10 Giá trị Sbi , LOD, LOQ của Mn(II) và Ni(II) 37

Bảng 2.11 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) 38

Bảng 2.12 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) 40

Bảng 2.13 Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) 42

Bảng 2.14 Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ Mn(II) và Ni(II) của vật liệu .44

Bảng 2.15.Các thông số hấp phụ theo mô hình Langmuir của vật liệu hấp phụ 45

Bảng 2.16 Ca(II), Zn(II), Al(III) 4

7 Bảng 2.17 Ca(II), Zn(II), Al(III) u 48

Bảng 2.18 Nồng độ ion Mn(II) sau mỗi phân đoạn thể tích 50

Bảng 2.19.Nồng độ ion Ni(II) sau mỗi phân đoạn thể tích 51

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 11

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb 11

Hình 1.3 Mô hình cột hấp phụ 12

Hình 1.4 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ trên cột hấp phụ theo thời gian 12

Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo vật liệu hấp phụ từ silicat và photphat 21

Hình 2.2 Ảnh SEM của vật liệu hấp phụ 22

Hình 2.3 Phổ hồng ngoại củavật liệu hấp phụ 23

Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu 24

2

5 Hình 2.6 Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn(II) 27

Hình 2.7 Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Ni(II) 28

(II) 30

(II) 32

Hình 2.10 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với Mn(II) 39

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian đối với Ni(II) 39

Hình 2.12 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn(II) 40

Hình 2.13 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II) 41

Hình 2.14 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng đối với Mn(II) 43 Hình 2.15 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng đối với Ni(II) 43

(II) 45

Hình 2.18 Ảnh hưởng của các ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả năng hấp phụ Mn(II) của vật liệu 47

Hình 2.19 Ảnh hưởng của các ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả năng hấp phụ Ni(II) của vật liệu 47

48

Hình 2.21 Khả năng hấp phụ động đối với dung dịch Mn(II) 52

Hình 2.22 Khả năng hấp phụ động đối với dung dịch Ni(II) 52

Hình 2.23 Sự hấp phụ động ion Mn(II) trong mẫu nước thải 53

Trang 11

vii

Trang 12

Hình 2.24 Sự hấp phụ động ion Ni(II) trong mẫu nước thải 53

vi

viii

Trang 13

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triểnđáng khích lệ, cơ cấu kinh tế chuyển đổi theo hướng công nghiệp hóa, hiện đạihóa Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, xã hội đã làm nảy sinhnhiều vấn đề về môi trường.Môi trường ở một số thành phố lớn, khu côngnghiệp tập trung và các khu dân cư đang bị suy thoái, ô nhiễm.Tài nguyên thiênnhiên, đa dạng sinh học đang bị cạn kiệt, sự cố môi trường có chiều hướng giatăng, trong đó phải kể đến thực trạng ô nhiễm môi trường nước

Nước là tài nguyên thiên nhiên quý giá, là yếu tố không thể thiếu được chomọi hoạt động sống trên trái đất Việt Nam tuy là xứ sở nhiệt đới nhưng nguồnnước sạch đang ngày càng cạt kiệt vì nhiều lý do khác nhau, trong đó có vấn đềnhiễm bẩn nguồn nước bởi nước thải của con người và các nhà máy Điều đó đòihỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu và đề xuất các biện pháp xử lý nước thải cóhiệu quả để đảm bảo sự phát triển bền vững của môi trường Thực tế đã có nhiềucông trình nghiên cứu các phương pháp để xử lý các chất độc hại có trong cácnguồn nước như phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương phápkeo tụ Trong các phương pháp đó, phương pháp hấp phụ tỏ ra có nhiều ưu việtbởi tính kinh tế, tính hiệu quả, thao tác đơn giản và dễ thực hiện

Ngoài các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, một số vật liệu hấp phụđược chế tạo từ hóa chất tinh khiết cũng được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứunhằm mục đích hấp phụ các ion kim loại trong môi trường nước như nghiên cứuchế tạo các vật liệu oxit nano, vật liệu canxi photphat… Cũng theo hướng nghiên

cứu đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II)

Trang 14

- Nghiên cứu một số đặc trưng hóa lý của vật liệu chế tạo được bằng cácphương pháp SEM, BET, IR…

Trang 15

- Xác định điểm đẳng điện của vật liệu hấp phụ

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu theo phương pháp hấp phụ tĩnh

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ Mn(II), Ni(II) của vật liệu theo phương pháp hấp phụ động

- Thăm dò khả năng xử lý Mn(II), Ni(II) trong mẫu nước thải của vật liệu

Trang 16

Chương 1

1.1 Tác dụng sinh hóa của mangan và niken

1.1.1 Tác dụng sinh hóa của mangan

Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả các dạngsống.Mangan là chất có tác dụng kích thích của nhiều loại enzim trong cơ thể, cótác dụng đến sự trao đổi chất canxi và photpho trong cấu tạo xương Thức ăn chotrẻ em nếu thiếu mangan thì hàm lượng enzim phophataza trong máu và xương sẽ

bị giảm xuống nên ảnh hưởng đến cốt hóa của xương, biến dạng… Thiếu mangan

có thể gây rối loạn về hệ thần kinh như bại liệt, co giật…

1.1

-

Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp và sự bùng nổdân số nhanh chóng của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng thì nguồn nướccủa chúng ta đang bị thiếu và ô nhiễm trầm Ô nhiễm môi trường nói chung và ônhiễm môi trường do kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp nói riêng là

Trang 17

một mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ của con người và sự an toàn của hệsinh thái

Trang 18

Việt Nam là nước có nền kinh tế nông nghiệp nhưng hoạt động công nghiệpnhiều năm trở lại đây với sự phát triển nhanh chóng của các nhà máy, các khucông nghiệp đã khiến cho môi trường bị ô nhiễm nặng.Hiện nay, hầu hết cácngành công nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chưa được xử lý vào môi trường.Kimloại nặng và độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp

Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion Chúng phát sinh từnhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công nghiệp Khácvới các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loạinặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài Chúng tích tụ vào các

mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng Kim loại nặng

là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người nhưng khi chúng tồn tại ởdạng ion và với nồng độ lớn, khi đi vào cơ thể người thì chúng lại có độc tính cao[3]

Để hạn chế tình trạng ô nhiễm nguồn nước từ nước thải của cácngành công nghiệp, Nhà nước đã ban hành Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia vềnước thải công nghiệp (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn của một số ion kim loại trong nước thải công nghiệp

Trang 19

Cột B quy định nồng độ giới hạn của một số ion kim loại trong nước thải côngnghiệp khi xả vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt Mục

Trang 20

đích sử dụng của nguồn tiếp nhận nước thải được xác định tại khu vực tiếp nhận nước thải

1.3 Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng

1.3.1 Phương pháp trao đổi ion

Trao đổi ion là một trong những phương pháp thường được dùng để táchkim loại nặng từ nước thải Nhựa trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất vô cơ

anion được hấp phụ trên bề mặt nhựa trao đổi ion Khi nhựa trao đổi ion đã bãohòa, người ta khôi phục lại cationit và anionit bằng dung dịch axit loãng hoặc dungdịch bazơ loãng Về mặt kĩ thuật thì hầu hết các ion kim loại nặng đều có thể tách

ra bằng phương pháp trao đổi ion,

nhưng phương pháp này thường tốn kém

1.3.2 Phương pháp kết tủa

Phương pháp này thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dưới dạnghiđroxit kim loại rất ít tan Ngoài ra còn có thể sử dụng các chất tạo kết tủa nhưxút, vôi, cacbonat, sunfua Tuy nhiên phương pháp này chỉ là quá trình xử lý sơ

bộ, đòi hỏi những quá trình xử lý tiếp theo

1.4

Trang 21

[8]

- Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vandecvan giữa các phân tử chất bị hấp phụ

và bề mặt chất hấp phụ Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ

- Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hoá học giữa bề mặt chất hấpphụ và bề mặt của chất bị hấp phụ Liên kết này bền, khó bị phá vỡ

Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóahọc Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêuchuẩn như sau:

- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, còn hấp phụ hóa học chỉ làđơn lớp

kcal/mol, đối với hấp phụ hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol

nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ sôi

- Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do

đó xảy ra nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy ra chậm hơn

- Tính đặc thù: hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học bềmặt còn hấp phụ hóa học đòi hỏi phải có ái lực hóa học , do đó phải mangtính đặc

thù rõ rệt

Trang 22

[9]

Trang 23

4 4 4

1.4.2.Hấpphụtrongmôitrườngnước

1.4.2.1 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước

Hấp phụ trong môi trường nước thường diễn ra khá phức tạp, vì trong hệ

có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và cóchọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ -chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụxảy ra với cặp đó Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độtan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ,mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả năng hấp phụ của chấthấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về

độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trênchất hấp phụ không

phân cực và ngược lại Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại

xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép Các ion hoặc các phân tử

có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do

đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiềuđến khả năng hấp phụ của hệ do tương tác tĩnh điện [1]

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH củadung dịch Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chấthấp phụ Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu hoặclưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH.Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không,trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt hấp phụtích điện dương Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sựphân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môitrường, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [1]

Trang 24

0Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản,

… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ

Trang 25

1.4.2.2 Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước

Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước bịhiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, tạo ra các phức chất hiđroxo, tạo racác cặp ion hay phức chất khác Dạng phức hiđrxo được tạo ra nhờ phản ứng thuỷphân Sự thuỷ phân của ion kim loại trong dung dịch có thể chịu ảnh hưởng rất lớnbởi pH của dung dịch Khi pH của dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi phân bố cácdạng thuỷ phân, làm cho thay đổi bản chất, điện tích, kích thước ion kim loại cóthể tạo phức, sự hấp phụ và tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ, điều này ảnhhưởng đến cả dung lượng và cơ chế hấp phụ

1.4 ệu suất giải hấp phụ

1.4.3.1 Dung lượng hấp phụ cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vịkhối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định về nồng độ vànhiệt độ

Dung lượng hấp phụ được tính theo công

Trang 26

Trong đó:

Trang 27

H: là hiệu suất hấp phụ (%)

1.4.3.3 Hiệu suất giải hấp phụ

Hiệu suất giải hấp là tỷ số giữa khối lượng của chất bị hấp phụ được giải hấp

so với khối lượng của chất bị hấp phụ trên cột vật liệu

Hiệu suất giải hấp được tính theo công thức sau:

Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường

đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại mộtthời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm

đó ở một nhiệt độ xác định Đường đẳng nhiệt hấp phụ được thiết lập bằng cáchcho một lượng xác định chất hấp phụ vào một lượng cho trước dung dịch có nồng

Trang 28

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phương trình đẳng nhiệt đơngiản mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pharắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng:

a = K.P (1.4)

Trang 29

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phương trình thực nghiệm

mô tả sự hấp phụ xảy ra trong phạm vi một lớp Phương trình này được biểu diễn bằng

q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

k: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố

khác n: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1

Phương trình Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng banđầu và vùng giữa của đường hấp phụ đẳng nhiệt tức là ở vùng nồng độ thấpcủa chất bị hấp phụ

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

Trong đó:

q C cb

q: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng

b: hằng số Langmuir.

Trang 30

Trang 31

Phương trình Langmuir có thể biểu diễn dưới dạng phương trình đường thẳng:

C

cb

Quá trình hấp phụ động trên cột được mô tả như sau:

Cho một dòng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ Saumột thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng:

Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hấp phụ đã bão hòa và đạt trạng thái cânbằng Nồng độ chất bị hấp phụ ở đây bằng nồng độ của nó ở lối vào

Trang 32

Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nồng độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá trị nồng

độ ban đầu tới không

Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy

ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng không

Lối vào

2.Vùng chuyển khối3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ

Lối ra

Hình 1.3 Mô hình cột hấp phụ

Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịchchuyển theo chiều dài của cột hấp phụ Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùngchuyển khối chạm tới đáy cột Đây là thời điểm cần dừng quá trình hấp phụ đểnồng độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép Tiếp theocột hấp phụ được giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ

Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ của chất bị hấp phụ xuất hiện và tăngdần theo thời gian Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ của chất bị hấp phụ trêncột

hấp phụ theo thời gian được gọi là đường cong thoát và có dạng như hình 1.4

C

t

Trang 33

Hình 1.4 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ

trên cột hấp phụ theo thời gian

Trang 34

1.5 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử

1.5.1 Nguyên tắc

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử dựa trên tính chất vật lí của cácchất có tính chất hấp thụ chọn lọc dòng ánh sáng đơn sắc Đây là phương phápphân tích định lượng không đo trực tiếp khối lượng của chất (như phương phápphân tích thể tích hay phân tích khối lượng) mà đo độ hấp thụ quang của dung dịchmàu từ đó suy ra nồng độ của cấu tử cần xác định [9]

Nguyên tắc chung của

l: là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.

người ta chọn bước sóng nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập

phương trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ C

A= f( ,l,C) (1.11)

Tuy nhiên, do những yếu

Trang 35

Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet

có bề dày xác định thì ε = const và l = const Đặt K = k.ε.l ta có:

A = K.Cb (1.13)Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV - Vis, thì luôn có một giá trị

Phương trình (1.12) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp đoquang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùngnồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vàobản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm Với các chất cóphổ hấp thụ UV - Vis càng nhạy, tức giá trị của chất đó càng lớn thì giá trị nồng

1.5.2 Phương pháp đường chuẩn

Cơ sở của phương pháp:

Trang 36

Dựa trên sự phụ thuộc của cường độ vạch phổ hấp thụ (hay độ hấp thụphân tử) vào vùng nồng độ nhỏ của cấu tử cần xác định trong mẫu theo

- Pha chế các dung dịch phân tích có điều kiện như dung dịch chuẩn và đem

đo độ hấp thụ phân tử Dựa vào các giá trị đo độ hấp thụ phân tử này vàđường chuẩn tìm được nồng độ nguyên tố cần phân tích trong mẫu phân tích

1.6 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu hấp phụ

1.6.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Hiển vi điện tử là một công cụ rất hữu ích để nghiên cứu hình thái học bềmặt của vật liệu, trong đó có phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning ElectronMicroscopy- SEM) Nguyên tắc của phương pháp SEM là sử dụng chùm tia điện tử

để tạo ảnh mẫu nghiên cứu

phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và truyền qua Các điện tử phản xạ và truyềnqua này được đi qua các hệ khuếch đại và điều biến để thành một tín hiệu ánhsáng Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh Độ sáng tốitrên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp tới bộ thu và bề mặt mẫunghiên cứu Nhờ khả năng phóng đại và tạo ảnh mẫu rất rõ nét và chi tiết, hiển vi

Trang 37

điện tử quét SEM được sử dụng để nghiên cứu bề mặt của vật liệu, cho phép xácđịnh kích thước và hình dạng của mẫu.

1.6.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)

Trang 38

1 (

Hiện nay phương pháp BET được ứng dụng rất phổ biến để xác định bề mặtriêng của các chất hấp phụ rắn

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng phương trình BET ở dạng sau:

P 1 C )P

Trong đó:

- V là thể tích chất bị hấp phụ tính cho một gam chất rắn

hấp phụ trên bề mặt một gam chất ở áp suất cân bằng P

- C là hằng số BET

Phương pháp BET nói chung có thể áp dụng để xác định bề mặt riêng của

và hằng số C > 1

1.6.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong số những kĩ thuậtphân tích rất hiệu quả Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phươngpháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác làphương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi cácphương pháp tính toán phức tạp

Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là các hợp chất hóa học có khảnăng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại Sau khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại, cácphân tử của các hợp chất hóa học dao động với nhiều vận tốc dao động khác nhau

Trang 39

và xuất hiện chùm phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại Các đámphổ khác nhau có

Trang 40

mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết

có trong phân tử hợp chất hóa học Bởi vậy các phổ hồng ngoại của một hợp chấthóa học được coi như “dấu vân tay”, có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng

Như vậy phương pháp phân tích phổ hồng ngoại cung cấp những thông tinquan trọng về các dao động của các phân tử, do đó là thông tin về cấu trúc của cácphân tử

1.6.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X (nhiễu xạ Rơnghen) là một phương pháp hiệuquả dùng để xác định đặc trưng lý hóa của vật liệu và được sử dụng trong nhiềulĩnh vựckhoa học và công nghệ Phương pháp này dùng để phân tích pha: kiểu vàlượng pha có mặt trong mẫu, ô mạng cơ sở, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt,sức căng cũng như phân bố electron Tinh thể bao gồm một cấu trúc trật tự theo 3chiều với tính tuần hoàn đặc trưng dọc theo trục tinh thể học Khoảng cách giữa

chiếu một chùm tia X vào tinh thể, điện trường của tia X sẽ tương tác với cácnguyên tử nằm trong mạng tinh thể tạo ra các tia khuếch tán Sự giao thoa củacác tia khuếch tán

sau khi đi qua tinh thể được gọi là sự nhiễu

xạ

Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ với góc có nhiễu xạ cựcđại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff - Bragg

n = 2d.sin (1.15)Trong đó:

- n: bậc phản xạ; n có các giá trị nguyên n = 1, 2 ,3…

- : chiều dài bước sóng tia X

- d: khoảng cách giữa hai mặt tinh thể

- : là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạPhương trình Vulff - Bragg mô tả điều kiện nhiễu xạ và được xem là phương trình cơ bản trong nghiên cứu cấu trúc bằng tia X

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	5,89 MB