Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng cr (VI) của than hoạt tính biến tính bằng H3PO4 trên nền vỏ cà phê (2017)

Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách lo i các ion kim lo i n ng khỏi môi trường nước, như: phương pháp hóa lý phương pháp hấp phụ,phương pháp trao đổi ion , phương pháp sinh họ

Trang 1

Khóa luận tốt

Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

HÀ NỘI, 2017

Trang 2

học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học

Th.S ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2017

Trang 3

học

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới Ths ĐỗThủy Tiên – trường ĐH Sư Ph m Hà N i 2 và PGS.TS Ngô Kim Chi – ViệnHóa học các hợp chất thiên nhiên – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệViệt Nam đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản khóa luận tốtnghiệp này

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóahọc đã nhiệt tình giảng d y và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dướimái trường ĐH Sư ph m Hà N i 2

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, b n bè đã luôn t o mọiđiều kiện, đ ng viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập

Do điều kiện thời gian và trình đ còn h n chế, nên bản thân khóa luậnnày không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý củathầy, cô giáo cũng như toàn thể các b n để khóa luận của em có thể hoànthiện hơn

Hà Nội, tháng 5 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Phương Mai

Trang 4

học

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứuthực sự của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS ĐỗThủy Tiên

Các số liệu và những kết quả đo được trong khóa luận là trung thực, do

cá nhân em tiến hành thí nghiệm

Hà Nội, tháng 5 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Phương Mai

Trang 5

học

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Trang 6

Trang 7

và tỉnh Điện Biên 22Bảng 3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng đ H3PO4 ngâm tẩm, nhiệt đ

đốt đến khả năng hấp phụ của VLHP 30Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của

VLHP 33Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ

của VLHP 35Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả năng

hấp phụ 36Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng đ Cr VI đến hiệu quả hấp

phụ của VLHP 38Bảng 3.6 Các thông số khảo sát sự hấp phụ Cr (VI) của VLHP 39

Trang 8

học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 15

Hình 1.2 Sự phụ thu c của Ccb/q vào Ccb 15

Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng đ Cr (VI) 29

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng đ H3PO4 ngâm tẩm than, nhiệt đ đốt than đến khả năng hấp phụ của VLHP 30

Hình 3.3 Mẫu 30%-4000C dùng làm VLHP 31

Hình 3.4 Than chưa biến tính 32

Hình 3.5 Than biến tính bằng H3PO4 32

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP 34

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 35

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả năng hấp phụ 37

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng đ đầu Cr VI đến hiệu suất hấp phụ của VLHP 38

Hình 3.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr (VI) 40

Hình 3.11 Sự phụ thu c của C/q vào C của VLHP đối với Cr (VI) 40

Trang 9

học

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về nguyên tố Crom 3

1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học của crom 3

1.1.2 Công dụng của crom 4

1.1.3 Ảnh hưởng của crôm 5

1.1.4 Hiện tr ng ô nhiễm Cr (VI) do công nghiệp m điện t i Việt Nam6 1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 7

1.2.1 Các khái niệm 7

1.2.2 Cân bằng hấp phụ 11

1.2.3 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 13

1.3 Than ho t tính C và cấu trúc bề m t của C 15

1.3.1 Giới thiệu về C 15

1.3.2 Điều chế C 16

1.3.3 Cấu trúc xốp của bề m t than ho t tính 19

1.4 Tổng quan về vật liệu vỏ cà phê 22

1.4.1 Giới thiệu về vỏ cà phê 22

1.4.2 Thành phần chính của vỏ cà phê 22

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24

2.1 Đối tượng nghiên cứu: 24

2.2 Hóa chất và dụng cụ 24

2.2.1 Hóa chất 24

2.2.2 Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ 24

2.3 Phương pháp nghiên cứu 25

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 25

Trang 10

học

2.3.2 Phương pháp phân tích 25

2.4 Phương pháp thực nghiệm 25

2.4.1 Xây dựng đường chuẩn Cr (VI) 25

2.4.2 Thực nghiệm chế t o vật liệu hấp phụ trên nền vỏ cà phê 26

2.4.3 Thực nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr (VI) 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Lập đường chuẩn Cr (VI) 29

3.2 Kết quả chế t o vật liệu hấp phụ trên nền vỏ cà phê 29

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng đ H3PO4 ngâm tẩm, nhiệt đ đốt đến khả năng hấp phụ của VLHP 29

3.2.2 Kết quả đánh giá cấu trúc bề m t của VLHP 32

3.3 Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr VI 33

3.3.1 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP 33

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của VLHP 34

3.3.3 Ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ của VLHP 36

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng đ Cr VI đến hiệu quả hấp phụ của VLHP 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 434

Trang 11

đ ng tới con người [20] Trong số các kim lo i n ng thì Cr (VI) có đ c tínhcao, có thể gây ra các bệnh ngoài da, thủng màng ngăn mũi, viêm gan, viêmthận, ung thư phổi Việc lo i trừ các thành phần chứa kim lo i n ng đ c h i,

đ c biệt là Cr (VI) ra khỏi nguồn nước ngầm hay nước thải công nghiệp là

m t trong những mục tiêu môi trường quan trọng cần phải giải quyết hiệnnay Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách lo i các ion kim lo i

n ng khỏi môi trường nước, như: phương pháp hóa lý phương pháp hấp phụ,phương pháp trao đổi ion , phương pháp sinh học, phương pháp hóahọc, Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp dụng r ng rãi và cho kết quảrất khả thi [12]

Than ho t tính (AC) với khả năng hấp phụ lớn là vật liệu rất cần thiếtcho ứng dụng để thanh lọc trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong

xử lý nước thải [17] Nhu cầu về AC đang gia tăng nhanh chóng với nhậnthức cao về bảo vệ môi trường Tuy nhiên giá của các lo i AC là rất đắt tiền

do thực tế rằng hầu hết các sản phẩm C thương m i có nguồn gốc từ cácnguyên liệu tự nhiên tốn kém như gỗ ho c than Do đó việc tận dụng phụphẩm nông nghiệp bao gồm vỏ cà phê, lõi ngô, bã trà, bã mía, vỏ trấu, mùncưa, vỏ dừa để xử lý kim lo i n ng trong nước là m t trong những hướng

Trang 12

nghiên cứu đang được quan tâm bởi tính kinh tế cũng như hiệu quả mà nó mang l i

Từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr (VI) của than hoạt tính biến tính bằng H 3 PO 4 trên nền vỏ

- Đánh giá cấu trúc bề m t của VLHP

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cr (VI) của VLHP chế t o được

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

- Xác định dung lượng hấp phụ của VLHP

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều chế được VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ cácion kim lo i n ng, những ion kim lo i gây ô nhiễm môi trường

Về m t kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ởViệt Nam, là m t d ng vật liệu hấp phụ đ c biệt và giá thành hợp lý, phù hợpvới điều kiện kinh tế của Việt Nam

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về nguyên tố Crom

1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học của crom

Crom là m t nguyên tố tương đối phổ biến trong thiên nhiên Trong vỏtrái đất, crom chiếm 6.10-3 % tổng số nguyên tử Khoáng vật chính của crom

là sắt cromit [Fe(CrO2)2] Crom là nguyên tố thu c nhóm (VIB) trong bảng hệ

thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có số thứ tự là 24, cấu hình electronlớp ngoài cùng là [Ar]3d54s1 Crom là m t kim lo i cứng, m t bóng, màu xámthép với đ bóng cao và nhiệt đ nóng chảy cao Crom nguyên chất là kim

lo i óng ánh, màu trắng xám Các tr ng thái oxi hóa phổ biến của crom là +2,+3 và +6, với +3 là ổn định nhất Các tr ng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm Cáchợp chất của crom với tr ng thái oxi hóa +6 là những chất có tính oxi hóa

m nh

Bảng 1.1 Một số hằng số vật lý của crom Cấu hình electron [Ar]3d 5 4s 1

Năng lượng ion hóa, ev

6.7616.4930.95

Trang 14

1.1.2 Công dụng của crom

Crom nguyên chất rất dẻo, nhưng hợp kim của nó với m t số kim lo ikhác dùng trong kỹ thuật l i là những hợp kim rất cứng, vì vậy người tathường đưa vào thép để tăng đ cứng, đ bền nhiệt, chống ăn mòn cho các

lo i thép hợp kim đ c biệt [11] Crom được sử dụng trong ngành luyện kim đểtăng khả năng chống ăn mòn và đánh bóng bề m t Nó có thể là m t thànhphần của hợp kim, chẳng h n như thép không gỉ để làm dao, kéo, dùng trong

m crom, trong quá trình anot hóa dương cực hóa nhôm , theo nghĩa đen làchuyển bề m t nhôm thành ruby

Làm thuốc nhu m và sơn: Oxit crom Cr2O3) là chất đánh bóng kim lo ivới tên gọi phấn lục Các muối crom nhu m màu cho thủy tinh thành màuxanh lục Crom là thành phần t o ra màu đỏ của hồng ngọc, vì thế nó được sửdụng trong sản xuất hồng ngọc tổng hợp Nó t o ra màu vàng rực rõ của thuốcnhu m và sơn

Là m t xúc tác cromit được sử dụng làm khuôn để nung g ch ngói, cácmuối crom được sử dụng trong quá trình thu c da, kali dicromat (K2Cr2O7) là

m t thuốc thử hóa học, được sử dụng trong quá trình làm vệ sinh các thiết bịlàm bằng thủy tinh trong phòng thí nghiệm cũng như trong vai trò m t tácnhân chuẩn đ Nó cũng được sử dung làm chất ổn định màu cho các thuốcnhu m vải

Oxit crom (CrO2 được sử dụng sản xuất băng từ, t o hiệu suất tốt hơn.Trong y học, crom như là chất phụ trợ ăn kiêng để giảm cân, thông thườngduới d ng clorua crom (CrCl3) Ngoài ra nó còn được dùng làm phụ gia chovào xăng, làm dây dẫn điện chịu nhiệt đ cao

Trang 15

1.1.3 Ảnh hưởng của crôm

M c dù Crôm tồn t i ở nhiều tr ng thái khác nhau, chỉ có Cr (III) và

Cr (VI) gây ảnh hưởng lớn đến sinh vật và con người

- Đường xâm nhập và đào thải:

Crôm xâm nhập vào cơ thể theo 3 đường: hô hấp, tiêu hóa và qua da

Cr VI được cơ thể hấp thu dễ dàng hơn Cr III nhưng khi vào cơ thể Cr(VI) sẽ chuyển thành d ng Cr (III) Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất cứđường nào, Crôm cũng được hòa tan trong máu ở nồng đ 0.001mg/ml, sau

đó được chuyển vào hồng cầu và sự hòa tan ở hồng cầu nhanh hơn 10-20 lần

Từ hồng cầu, Crôm được chuyển vào các tổ chức và phủ t ng Crôm gắn vớiSidero filing albumin và được giữ l i ở phổi, xương, thận, gan, phần còn l ithì qua phân và nước tiểu Từ các cơ quan phủ t ng, Crôm l i được hòa tandần vào máu, rồi được đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm Do đónồng đ Crôm trong máu và nước tiểu biến đổi nhiều và kéo dài

- Tác đ ng đến sức khoẻ:

Qua ngiên cứu người ta thấy Crôm có vai trò sinh học như chuyển hóaglucose, protein, chất béo ở đ ng vật hữu nhũ Dấu hiệu của thiếu hụt Crôm ởngười gồm có giảm cân, cơ thể không thể lo i đường ra khỏi máu, thần kinhkhông ổn định Tuy nhiên với hàm lượng cao Crôm làm giảm protein, axitnucleic và ức chế hệ thống men cơ bản

Cr VI đ c hơn Cr III I RC đã xếp Cr (VI) vào nhóm 1, Cr (III) vào nhóm 3 đối với các chất gây ung thư Hít thở không khí có nồng đ Crôm (ví

dụ axit crômic hay Cr (III) trioxit) cao ( > 2μg/m3 ) gây kích thích mũi làmchảy nước mũi, hen suyễn dị ứng, ung thư khi tiếp xúc với Crôm có nồng đ cao hơn 100 1000 lần nồng đ trong môi trường tự nhiên) Ngoài ra Cr (VI) còn có tính ăn mòn, gây dị ứng, lở loét khi tiếp xúc với da Crom chủ yếu gây

Trang 16

nên các bệnh ngoài da như loét da, viêm da tiếp xúc, loét thủng màng ngăn mũi, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi [6]

1.1.4 Hiện trạng ô nhiễm Cr (VI) do công nghiệp mạ điện tại Việt Nam

- Theo các số liệu thống kê cho ta thấy, hầu hết các nhà máy, cơ sở xi m

có quy mô nhỏ và vừa đều tập trung ở các thành phố lớn như Hà N i, Hải Phòng, Thành phố Hồ Chí Minh, Biên Hòa Trong quá trình sản xuất, nước thải của các nhà máy xí nghiệp này đều bị ô nhiễm bởi các kim lo i n ng,nhưng vấn đề xử lý nước thải còn chưa được quan tâm, xem xét đầy đủ ho c việc xử lý chỉ mang tính hình thức vì đầu tư cho m t quy trình xử lý nước thải khá tốn kém và việc thực thi Luật Bảo vệ môi trường chưa được nghiêm minh, chỉ còn mang tính đối phó [2]

- Đ c trưng của nước thải ngành m điện là chứa hàm lượng cao các

muối vô cơ và kim lo i n ng như đồng, kẽm, crôm, niken Trong nước thải

xi m thường có sự thay đổi pH rất r ng từ rất axit (pH = 2 3 đến rất kiềm(pH = 10 11) Các chất hữu cơ thường có rất ít trong nước thải xi m , phầnđóng góp chính là các chất t o bóng, chất ho t đ ng bề m t nên chỉ sốCOD, BOD5 của nước thải m điện thường nhỏ và không thu c đối tượng cần

xử lý Đối tượng cần xử lý chính trong nước thải là các muối kim lo i n ngnhư crôm, đồng, kẽm, sắt, photpho [8]

- Lượng nước thải của m điện không phải là lớn so với các ngành công

nghiệp khác như nước thải của ngành công nghiệp giấy, dệt song thànhphần và các chất đ c h i trong đó khá lớn Hơn nữa, các chất đ c h i này l i

có những biến thiên hết sức phức t p và phụ thu c vào quy trình công nghệcũng như từng công đo n trong quy trình đó Vì vậy, muốn xử lý đ t hiệu quảcao thì chúng ta cần phải thu gom, tách dòng theo từng công đo n, từngtrường hợp cụ thể và lựa chọn phương án xử lý thích hợp

Trang 17

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chứa Cr (VI) [1] QCVN 40:2011/BTNMT quy định nồng độ của Cr (VI) trong nước thải công nghiệp như sau:

Bảng 1.2 Giá trị giới hạn nồng độ của Cr (VI) trong nước thải công

1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

- Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề

m t chất hấp phụ

Trang 18

- Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ

Hấp phụ là m t quá trình tỏa nhiệt Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi

ra khỏi bề m t chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ Tùy theo bản chất lựctương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phânbiệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3]

Hấp phụ hóa học

Định nghĩa: Hấp phụ hóa học được gây ra bởi các liên kết hóa học (liênkết c ng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí) Trong hấp phụ hóa học có sựtrao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Cấu trúc electron phân

tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi rất lớn dẫn đến hìnhthành liên kết hóa học Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóa học thường lớnhơn 22kcal/mol

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ làtương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt M t số trường hợp tồn t i cảquá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Ở vùng nhiệt đ thấp xảy ra quátrình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt đ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khảnăng hấp phụ hóa học tăng lên [9] [13]

Trang 19

về hiệu quả kinh tế

M t số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:

- Phương pháp hóa lý: Có thể thực hiện t i chỗ, ngay trên c t hấp phụnên tiết kiệm được thời gian, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồichất hấp phụ ở tr ng thái nguyên vẹn Phương pháp hóa lý có thể thực hiệntheo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa - khử, áp đ t cácđiều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ

- Phương pháp nhiệt: Sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp phụ bayhơi ho c sản phẩm phân hủy nhiệt của chúng có khả năng bay hơi

- Phương pháp vi sinh: là phương pháp tái t o khả năng hấp phụ của vậtliệu hấp phụ nhờ vi sinh vật [3]

 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước [3]

Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ítnhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

Do sự có m t của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ c nh tranh và

có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước t o ra các c p hấp phụ là: chất bịhấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, c p nào có tương tác m nh hơnthì hấp phụ xảy ra với c p đó

Tính chọn lọc của các c p hấp phụ phụ thu c vào các yếu tố: đ tan củachất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước ho c kị nước của chất hấp phụ, mức đ

kị nước của chất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấpphụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thu c vào tính tương đồng về đphân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt

Trang 20

trên chất hấp phụ không phân cực và ngược l i Đối với các chất có đ phân cực cao, ví dụ các ion kim lo i hay m t số d ng phức oxy anion như SO42-,

Trang 21

2-Trần Thị Phương Mai – K39D – Khoa hóa

PO43-, CrO4 thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qualớp điện kép Các ion ho c các phân tử có đ phân cực cao trong nước bị baobọc bởi m t lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính đ lớn) của các ion,các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ

do tương tác tĩnh điện Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn

sẽ được hấp phụ tốt hơn do đ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.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 chất hấp phụ Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu,bazơ yếu ho c lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương ho c trung hoàtùy thu c giá trị pH T i giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề m tchất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề m t chất hấp phụ tích điện âm vàdưới giá trị đó bề m t chất hấp phụ tích điện dương Đối với các chất trao đổiion diễn biến của hệ cũng phức t p do sự phân li của các nhóm chức và cáccấu tử trao đổi cũng phụ thu c vào pH của môi trường, đồng thời trong hệcũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và t o phức chất

Ngoài ra, đ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề m t, kích thước maoquản cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ

Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trường nước chúng có đ tankhác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau Phần lớncác chất hữu cơ tồn t i trong nước d ng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nênquá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụvật lý Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thu c vào: pH củamôi trường, lượng chất hấp phụ, nồng đ chất bị hấp phụ

Trang 22

Đ c tính của ion kim lo i n ng trong môi trường nước: để tồn t i được ở

tr ng thái bền, các ion kim lo i trong môi trường nước bị hydrat hóa t o ra lớp

vỏ là các phân tử nước, các phức chất hidroxo, các c p ion hay phức chấtkhác Tùy thu c vào bản chất hóa học của các ion, pH của môi trường, cácthành phần khác cùng có m t mà hình thành các d ng tồn t i khác nhau

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Khối lượng phân tử

- Cấu trúc phân tử

- Lo i và số lượng các nhóm chức

- Hàm lượng tro và các hợp chất dễ bay hơi

- Diện tích bề m t riêng

- Số lượng vi lỗ có trong vật liệu

- pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu

- Liều lượng vật liệu hấp phụ

- Thời gian hấp phụ

- Nồng đ chất hấp phụ

1.2.2 Cân bằng hấp phụ

Hấp phụ vật lý là m t quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấpphụ khi đã hấp phụ trên bề m t chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược phamang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ) Theo thời gian lượng chất bị hấpphụ tích tụ trên bề m t chất hấp phụ càng nhiều thì tốc đ di chuyển ngược trở

l i pha mang càng lớn Đến m t thời điểm nào đó, tốc đ hấp phụ (quá trìnhthuận) bằng tốc đ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đ t

tr ng thái cân bằng [9] [13]

- Dung lượng hấp phụ cân bằng:

Trang 23

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên m tđơn vị khối lượng chất hấp phụ ở tr ng thái cân bằng trong điều kiện xác định

về nồng đ và nhiệt đ [13]

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

( )

q = (1.1)

Trang 24

Trong đó:

q: dung lượng hấp phụ (mg/g)

V: thể tích dung dịch (l)

m: khối lượng chất hấp phụ (g )

Co: nồng đ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng đ dung dịch khi đ t cân bằng hấp phụ (mg/l)

Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồngthời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề

m t ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong h t của chấthấp phụ [6]

- Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng ở tr ng thái cân bằng

- Hiệu suất hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng đ dung dịch bị hấp phụ và nồng đdung dịch ban đầu

( )

H = 100% (1.2)Trong đó:

H: Hiệu suất hấp phụ (%)

Co: nồng đ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng đ dung dịch khi đ t cân bằng hấp phụ (mg/l)

Trang 26

Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, v0 là thể tíchhấp phụ cực đ i, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bãohòa của chất bị hấp phụ ở tr ng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt đ Các

ký hiệu b, k, a, n là các hằng số

Trong đề tài này, tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP với ionkim lo i n ng Cr (VI) trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệthấp phụ Langmuir

Trang 27

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên cácgiả thuyết:

- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề m t t i những trung tâm xác định

- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ m t tiểu phân

- Bề m t chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên cáctiểu phân là như nhau và không phụ thu c vào sự có m t của các tiểuphân hấp phụ trên các trung tâm bên c nh

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở phương trình 1.1 đượcxây dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể

áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước Khi đó phương trình Langmuirđược biểu diễn như sau:

= θ = (1.3)

Trang 28

Trong đó:

q, qm : dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đ i

(mg/g): đ che phủ

b : hằng số Langmuir

Ccb : nồng đ chất bị hấp phụ khi đ t tr ng thái cân bằng hấp phụ

(mg/l)Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đ c trưng của hệ:

- Trong vùng nồng đ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = b Ccb mô tả vùng hấpphụ tuyến tính

- Trong vùng nồng đ cao: b.Ccb >> 1 thì q = mô tả vùng hấp phụ bãohòa

Trang 29

Khi nồng đ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới h n trên thì đường đẳngnhiệt biểu diễn là m t đo n cong Để xác định các hằng số trong phương trìnhđẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đưa phương trình 1.3 về d ng phương trìnhđường thẳng:

Trang 30

c b

Có rất nhiều định nghĩa về AC, tuy nhiên có thể nói chung rằng, AC là

m t d ng của cacbon đã được xử lý để mang l i m t cấu trúc rất xốp, do đó

có diện tích bề m t rất lớn AC là chất hấp phụ quý và linh ho t, được sử dụng

r ng rãi cho nhiều mục đích như lo i bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và

Trang 31

các t p chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh ho t, thu hồidung môi, làm s ch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thảicông nghiệp và khí thải đ ng cơ, trong làm s ch nhiều hóa chất, dược phẩm,sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí.

AC được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồivàng, b c, và các kim lo i khác, làm chất mang xúc tác Chúng cũng đượcbiết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để lo i bỏ các đ c

tố và vi khuẩn của m t số bệnh nhất định

Cacbon là thành phần chủ yếu của AC với hàm lượng khoảng 85-95%.Bên c nh đó C còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh vàoxi Các nguyên tử khác lo i này được t o ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu

ho c liên kết với cacbon trong suốt quá trình ho t hóa và các quá trình khác.Thành phần các nguyên tố trong AC thường là 88% C, 0.5% H, 0.5% N,1% S, 6 7% O Tuy nhiên hàm lượng oxy trong AC có thể thay đổi từ

1 20% phụ thu c vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế AC thường

có diện tích bề m t nằm trong khoảng 800 1500m2/g và thể tích lỗ xốptừ

0.2 0.6cm3/g [18] Diện tích bề m t AC chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏhơn 2nm

 Quá trình than hóa

Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về

Trang 32

d ng cacbon, đồng thời làm bay hơi m t số chất hữu cơ nhẹ t o lỗ xốpban

Trang 33

đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình ho t hóa than Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [21].

- Quá trình than hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu hầu như luôn luôn

là hệ phân tử lớn do sự tổng hợp ho c quá trình tự nhiên Phân hủy nguyênliệu đầu bằng cách tăng nhiệt đ xử lý, quá trình xảy ra cùng với sự giảiphóng khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp Do đó, than thu được là

d ng khác của nguyên liệu ban đầu có thể lớn hơn ho c nhỏ hơn hình d

ng ban đầu nhưng nó có tỷ trọng thấp hơn Khi tăng nhiệt đ xử lý sẽ t o racấu trúc trung gian bền hơn Trong quá trình than hóa, khi hệ đ i phân tử banđầu phân hủy, các nguyên tử cacbon còn l i trong m ng đ i phân tử dichuyển khoảng ngắn (có thể < 1nm) trong m ng tới vị trí bền hơn, thậmchí t o ra m ng các nguyên tử cacbon (có hydro liên kết với nó) Thànhphần của nguyên liệu ban đầu khác nhau sẽ phân hủy theo những cách riêng,

t o ra các d ng than khác nhau Khoảng cách kích thước nguyên tử được mở

ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử khác, sự di trú của nguyên tử cacbon vàcác liên kết của chúng t o ra m ng xốp có thành phần là các nguyên tửcacbon Mỗi lo i than có đ c trưng xốp khác nhau

- Than hóa trong pha lỏng: Các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín chophép t o thành cacbon có thể graphit hóa về cơ bản là than không xốp Do

đó để t o ra m t lo i than xốp từ những nguyên liệu này cần 1 phản ứng tác

đ ng lên các lớp graphen Quá trình than hóa trong pha lỏng có cơ chế hoàntoàn khác với trong pha rắn Bằng sự than hóa pha lỏng, d ng có thể graphithóa được t o thành

Cacbon hóa trong pha khí cần phải được kiểm soát cẩn thận nguồnnguyên liệu đầu vào Nguyên liệu có thể là metan, propan ho c benzen

Trang 34

nhưng quan trọng nhất là quá trình cacbon hóa (bẻ gãy ho c nhiệt phân)nguyên liệu

Trang 35

khí ở áp suất tương đối thấp thường được pha loãng với khí heli Mảnh vỡ từquá trình nhiệt phân nguyên liệu ban đầu tương tác với chất nền thích hợp vàbằng m t cơ chế bao gồm sự chuyển đ ng các nguyên tử cacbon, cấu trúc phiến 6 c nh của graphit được hình thành [21].

 Quá trình hoạt hóa

Ho t hóa là quá trình bào mòn m ng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụngcủa nhiệt và tác nhân ho t hóa, t o đ xốp cho than bằng m t hệ thống lỗ

có kích thước khác nhau, ngoài ra còn t o các tâm ho t đ ng trên bề m t[25] Có thể ho t hóa bằng phương pháp hóa học ho c bằng hơi nước

Ho t hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho ho t hóa than gỗ Phươngpháp này khác với ho t hóa bằng hơi, trong đó quá trình than hóa và quátrình ho t hóa xảy ra đồng thời Nguyên liệu thô thường sử dụng là gỗđược tr n với chất ho t hóa và chất hút nước thường được sử dụng là kalihidroxit (KOH) ho c axit photphoric (H3PO4) Sự ho t hóa thường xảy ra ởnhiệt đ 5000C,

nhưng đôi khi cũng có khi lên tới 8000C Axit photphoric làm cho gỗ phình ra

và mở cấu trúc cenlulose của gỗ Trong suốt quá trình ho t hóa axitphotphoric ho t đ ng như m t chất ổn định và đảm bảo rằng than không

bị xẹp trở l i Kết quả là than rất xốp và chứa đầy axit photphoric Sau đóthan được rửa và tiếp tục bước sản xuất tiếp theo

Ho t hóa bằng hơi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc

từ than bùn, than đá, gáo dừa, gỗ Trước hết nguyên liệu thô đượcchuyển hóa thành cacbon bằng nhiệt

Khi than đá được sử dụng làm nguyện liệu trong ho t hóa, hơi nước ở

Trang 36

1300C được thổi vào ở nhiệt đ khoảng 10000C M t số túi khí trở thành dòngkhí và thoát ra khỏi lỗ xốp Hình thức này phụ thu c lớn vào nguyên liệuđược sử dụng.

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	1,54 MB