Điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu hấp thụ từ vỏ chuối

Nhiều nghiên cứu gần đây chứng minh rằng vỏ chuối, sợi dừa, bã mía, vỏ lạc và một số loại phụ phẩm có nguồn gốc từ thực vật có thể loại bỏ những ion kim loại nặng và độc hại như niken, c

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH

Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, em đã học hỏi và tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý báu về mặt kiến thức cũng như những kinh nghiệm sống

Đề hoàn thành đề tài nghiên cứu này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em còn nhận được nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ rất tận tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Cô Phan Thị Hoàng Oanh (Bộ môn Hóa lý- Khoa Hóa học- Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh) đã đồng ý làm giáo viên hướng dẫn Khóa luận Tốt nghiệp, định hướng cho em chọn đề tài và cô đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em phát huy tính tự giác trong nghiên cứu, theo sát em trong quá trình thực hiện đề tài

Thầy Nguyễn Ngọc Hưng và cô Nguyễn Thị Tuyết Nhung (Bộ môn Phân tích)

đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên em trong quá trình thực hiện khóa luận

Thầy Trần Bửu Đăng (Bộ môn Đại cương- Vô cơ) đã giúp đỡ, tận tình chỉ dẫn, đóng góp ý kiến và động viên em trong suốt quá trình làm đề tài

Các anh chị sinh viên khóa 36, khóa 37 và các bạn khóa K38- những người luôn ủng hộ và đồng hành cùng em trong thời gian qua

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2016 Nguyễn Thị Kiều Duyên

LỜI CÁM ƠN I MỤC LỤC II DANH MỤC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC HÌNH VI

MỞ ĐẦU VII

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về vỏ chuối 1

1.1.1 Giới thiệu về cây chuối 1

1.1.2 Tình hình sản xuất và xuất khẩu chuối trên thế giới và Việt Nam 2

1.1.3 Thành phần hóa học của vỏ chuối 3

1.1.4 Một số hướng nghiên cứu sử dụng vỏ chuối làm vật liệu hấp phụ xử lí môi trường 4

1.2 Giới thiệu axit xitric 5

1.2.1 Cấu tạo và một số đặc điểm về axit xitric 5

1.2.2 Nguồn axit xitric 6

1.3 Phản ứng este hóa 7

1.4 Giới thiệu về niken 8

1.4.1 Đặc tính của niken 8

1.4.2 Nguồn phát sinh niken 8

1.4.3 Độc tính của niken 8

1.5 Sự ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng 9

1.6 Một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 10

1.6.1 Phương pháp kết tủa 10

1.6.2 Phương pháp trao đổi ion 10

1.6.3 Phương pháp điện hóa 10

1.6.4 Phương pháp sinh học 10

1.6.5 Phương pháp hấp phụ 11

1.7 Giới thiệu về hiện tượng hấp phụ 11

1.7.1 Hiện tượng hấp phụ 11

1.7.2 Nhiệt động học của quá trình hấp phụ 12

1.7.3 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 12

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

2.1 Nội dung nghiên cứu 14

2.2 Phương pháp nghiên cứu 15

2.2.1 Phương pháp phân tích trắc quang 15

2.2.1.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang 15

2.2.1.2 Phương pháp đường chuẩn trong phân tích trắc quang 16

2.2.1.3 Phương pháp định lượng niken bằng trắc quang 16

2.2.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 17

2.2.2.1 Sự hấp thụ IR 18

2.2.2.2 Sử dụng phổ IR 18

2.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET) 19

2.4 Xử lí số liệu 19

2.4.1 Khái niệm về phân tích phương sai 19

2.4.2 Phân tích phương sai một yếu tố 20

2.5 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 22

2.5.1 Dụng cụ, thiết bị 22

2.5.2 Hóa chất 22

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 23

3.1 Xử lý nguyên liệu – chuẩn bị bột vỏ chuối 23

3.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Ni2+ 23

3.2.1 Chuẩn bị dung dịch thí nghiệm 23

3.2.2 Dựng đường chuẩn xác định Ni2+ 24

3.3 Biến tính vỏ chuối – Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 25

3.3.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp axit xitric và nước cốt chanh đến quá trình biến tính 25 3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ axit xitric đến quá trình biến tính 28

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính 30

3.3.4 So sánh khả năng hấp phụ của vỏ chuối nguyên liệu và VLHP 32

3.3.4.1 Khảo sát khả năng hấp phụ của vỏ chuối nguyên liệu 32

3.3.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP 32

3.4 Phổ IR của vỏ chuối nguyên liệu và vỏ chuối đã biến tính với axit xitric 33

3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Ni2+ của vật liệu 34

3.5.1 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ 34

3.5.2 Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 37

3.5.3 Ảnh hưởng của nồng độ Ni2+ đến quá trình hấp phụ 39

3.6 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Ni2+ theo Langmuir 42

3.7 Diện tích bề mặt riêng (BET) 44

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ 45

4.1 Kết luận 45

4.2 Kiến nghị 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 48

Bảng 1 Diện tích trồng chuối theo các vùng 2

Bảng 2 Sản lượng trồng chuối theo vùng 3

Bảng 3 Thành phần hóa học của vỏ chuối 3

B ảng 4 Hàm lượng các axit trong nước chanh 6

Bảng 5 Hàm lượng của một số axit trong nước chanh vỏ xanh 6

Bảng 6 Các chỉ số ô nhiễm kim loại nặng của nước thải mạ điện 9

B ảng 7 Bảng qui hoạch thực nghiệm 20

Bảng 8 Biểu diễn kết quả tính phương sai 1 yếu tố 21

Bảng 9 Giá trị mật độ quang của các dung dịch chuẩn Ni 2+ 24

B ảng 10 Tỉ lệ axit xitric và nước chanh 25

Bảng 11 Ảnh hưởng tỉ lệ axit xitric và nước chanh đến quá trình biến tính 26

Bảng 12 Kết quả tính phương sai 1 yếu tố 27

Bảng 13 Ảnh hưởng của nồng độ axit xitric đến quá trình biến tính 28

Bảng 14 Kết quả tính phương sai 1 yếu tố 29

B ảng 15 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính 30

Bảng 16 Kết quả tính phương sai 1 yếu tố 31

Bảng 17 Khảo sát khả năng hấp phụ của vỏ chuối nguyên liệu 32

B ảng 18 Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP 33

Bảng 19.So sánh hiệu suất hấp phụ Ni 2+ của vỏ chuối nguyên liệu và VLHP 33

Bảng 20 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ 35

B ảng 21 Kết quả tính phương sai 1 yếu tố 36

Bảng 22 Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 37

Bảng 23 Kết quả tính phương sai 1 yếu tố 39

Bảng 24 Ảnh hưởng của nồng độ Ni 2+ đến quá trình hấp phụ 40

Bảng 25 Kết quả tính phương sai 1 yếu tố 41

B ảng 26 Tổng kết các điều kiện hấp phụ Ni 2+ c ủa VLHP 42

Bảng 27 Bảng số liệu dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 43

Hình 1.1 Một số giống chuối ở Việt Nam 1

Hình 1.2 Vỏ chuối 3

Hình 1.3 Cấu trúc của xenlulozơ 4

Hình 1.4 Công th ức cấu tạo của axit xitric 5

Hình 1.5 Phản ứng este hóa giữa xenlulozơ và axit xitric 7

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của 𝑪𝑪𝒄𝒄𝒄𝒄 𝒒𝒒 vào 𝑪𝑪𝒄𝒄𝒄𝒄 13

Hình 1.7 Dạng đường chuẩn trong phân tích trắc quang 16

Hình 1.8 Phức niken đimetylglioxim 17

Hình 3.1 Vỏ chuối nguyên liệu 23

Hình 3.2 Đường chuẩn xác định nồng độ Ni 2+ 25

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ axit xitric và nước chanh đến quá trình biến tính 27

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ axit xitric đến quá trình biến tính 29

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa thời gian biến tính và hiệu suất hấp phụ 30

Hình 3.6 Phổ IR của vỏ chuối chưa biến tính 34

Hình 3.7 Ph ổ IR của vỏ chuối biến tính 34

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa thời gian và hiệu suất hấp phụ 35

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa pH và hiệu suất hấp phụ 38

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa nồng độ Ni 2+ và hiệu suất hấp phụ 40

Hình 3.11 Mối quan hệ giữa nồng độ Ni 2+ và dung lượng hấp phụ 42

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phương trình đẳng nhiệt Langmuir của Ni 2+ 43

Nước đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người cũng như các sinh vật khác Tuy nhiên, hiện nay các nguồn nước đang đứng trước mối đe dọa của sự

ô nhiễm kim loại nặng do nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, thuốc trừ sâu hóa học, ô nhiễm phóng xạ, các kim loại nặng chủ yếu như niken (Ni), đồng (Cu), chì (Pb)… có chức năng sinh học đối với cơ thể sống, nhưng nó có thể tích lũy và trở nên độc hại với sức khỏe khi hàm lượng vượt quá mức cho phép Một lượng cực nhỏ các chất này trong nước uống có thể hủy hoại sức khỏe con người, gây ra triệu chứng từ chóng mặt đến hủy hoại gan và não Tuy nhiên, rất khó phát hiện các kim loại này trong nước, nhất là khi chúng hiện diện với hàm lượng thấp Do đó việc chiết, tách ion kim loại nặng từ dung dịch nước đã trở thành vấn đề đáng quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới Gần đây nhiều kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để loại bỏ ion kim loại nặng, phương pháp thông thường được sử dụng gồm trao đổi ion, thẩm thấu ngược… nhưng không được đánh giá cao do còn nhiều hạn chế về giá thành [28]

Nhiều nghiên cứu gần đây chứng minh rằng vỏ chuối, sợi dừa, bã mía, vỏ lạc và một

số loại phụ phẩm có nguồn gốc từ thực vật có thể loại bỏ những ion kim loại nặng và độc hại như niken, chì, đồng… trong nước nhờ cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polime như axit cacboxylic, phenolic, xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin, protein Hơn nữa, các chất hấp phụ này là những nguyên liệu rẻ tiền, quy trình đơn giản và không đưa thêm vào môi trường những tác nhân độc hại [3, 14, 17]

Chuối là loại trái cây nhiệt đới được trồng phổ biến ở nhiều quốc gia và vùng miền thế giới, đồng thời cũng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong thương mại rau quả toàn cầu Theo ước tính cứ 6 tấn chuối được tiêu thụ sẽ tạo ra 1 tấn vỏ chuối, nếu biết khai thác hợp lí thì đây sẽ là một nguồn nguyên liệu khổng lồ [7]

Với mục tiêu tìm một phụ phẩm nông nghiệp có khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước, trong khóa luận này chúng tôi chọn đề tài khóa luận có nội dung

là“Điều chế và khảo sát ứng dụng của vật liệu hấp phụ từ vỏ chuối ” Vỏ chuối là phụ

phẩm của các nhà máy sản xuất chuối sấy, có sẳn, rẻ tiền và dễ kiếm nên có thể coi đây là một hướng phát triển trong công nghệ xử lí nước thải Ứng dụng được chọn

1.1 T ổng quan về vỏ chuối

1.1.1 Gi ới thiệu về cây chuối

Chuối có tên khoa học là Musa paradisiaca L, thuộc họ Musaceae, là loài cây nhiệt đới được trồng ở Ấn Độ, Nam Trung Quốc, Maylaysia, Việt Nam, các nước Đông Phi, Tây Phi, Mỹ Latinh… các loài chuối hoang dại được tìm thấy rất nhiều ở Đông Nam

Á, do đó có thể cho rằng Đông Nam Á là quê hương của chuối [7]

Ở Việt Nam, chuối được trồng nhiều ở các tỉnh phía Nam Sản lượng chuối trong năm 2013 của cả nước là 1,9 triệu tấn Cây chuối được trồng chủ yếu để lấy trái Trong năm 2011, toàn thế giới tiêu thụ hơn 145 triệu tấn chuối Vỏ chuối là phần bao bọc bên ngoài phần thịt mềm, ngọt được gọi là thịt chuối Ở các nước phương Tây, vỏ chuối được xem là rác thải hữu cơ Còn ở các nước phương Đông, một phần vỏ chuối được

sử dụng làm thức ăn cho gia súc, một phần được xem như rác thải [7]

Chuối được trồng ở khắp các miền trên đất nước ta, tuy nhiên chất lượng và sản lượng chuối ở miền Nam có phần nào cao hơn so với miền Trung và miền Bắc, do điều kiện khí hậu miền Nam nóng và ấm phù hợp cho sự phát triển của chuối Có nhiều giống chuối, được phân biệt dựa vào hình dạng của cây chuối: chuối tiêu, chuối

sứ (chuối tây, chuối xiêm), chuối ngự, chuối mật (chuối lá), chuối tiêu, chuối cau (chuối cơm), chuối hột

Hình 1.1 M ột số giống chuối ở Việt nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1.2 Tình hình s ản xuất và xuất khẩu chuối trên thế giới và Việt Nam

Khoảng 98% sản lượng chuối của thế giới được trồng ở những nước đang phát triển và được xuất khẩu tới các nước phát triển Vào năm 2004, tổng cộng có 130 nước xuất khẩu chuối Tuy nhiên, việc sản xuất cũng như xuất nhập khẩu chuối thường tập trung vào một số nước nhất định Mười nước sản xuất chính chiếm tới 75% sản lượng chuối thế giới vào năm 2004 Trong đó Ấn Độ, Ecuador, Braxin và Trung Quốc chiếm một nửa của toàn thế giới Điều này càng ngày càng tăng lên cho thấy sự tập trung hóa

về phân phối chuối trên toàn thế giới [7]

 Xuất khẩu

Xuất khẩu chuối trên thế giới chủ yếu tập trung vào các nước đang phát triển Riêng Mỹ La Tinh và khu vực Caribe đã chiếm 70% lượng xuất khẩu chuối năm 2004 Bốn nước xuất khẩu chuối nhiều nhất thế giới vào năm 2004 là Ecuador, Costa Rica, Philippin, Colombia đã chiếm tới 63% xuất khẩu chuối trên toàn thế giới Chỉ tính riêng Ecuador đã chiếm 30%

Chỉ riêng EU, Mỹ, Nhật đã chiếm đến 67% nhập khẩu trên toàn thế giới vào năm

2004 Lượng nhập khẩu chuối ngày càng lớn của một số thị trường nổi tiếng như Liên bang Nga, Trung Quốc, Đông Âu

Bảng 1 Diện tích trồng chuối theo các vùng (đơn vị: ha) [7]

Bảng 2 Sản lượng trồng chuối theo vùng (đơn vị: tấn) [7]

1.1.3 Thành phần hóa học của vỏ chuối

Vỏ chuối chiếm 20- 30% khối lượng của trái Tuỳ theo loại chuối và đặc điểm nơi trồng chuối mà các thành phần hoá học của vỏ chuối có thể biến đổi

Hình 1.2 Vỏ chuối

Hàm lượng phần trăm các chất chính có trong vỏ chuối được trình bày ở Bảng 3

Bảng 3 Thành phần hóa học của vỏ chuối [9]

Xenlulozơ: Xenlulozơ là một polime hợp thành từ các mắc xích β-glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β-1,4-glicozit, phân tử xenlulozơ không phân nhánh, không xoắn

Hình 1.3 Cấu trúc xenlulozơ

1.1.4 M ột số hướng nghiên cứu sử dụng vỏ chuối làm vật liệu hấp phụ xử lí môi trường

Với thành phần chính là các hợp chất polime có nhiều nhóm hiđroxyl, vỏ chuối

có thể làm vật liệu hấp phụ tốt Trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu vật liệu hấp phụ này để xử lý môi trường

Ba tác giả Arunakumara, Budddhi Charana Walpola và Min-Ho Yoon đã sử dụng

, Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+ Kết quả nghiên cứu cho thấy

, Ni2+, Zn2+, Cu2+, Co2+ lần lượt là 7,97 mg/g; 6,88 mg/g; 5,8 mg/g; 4,75 mg/g; 2,55 mg/g [24]

Tác giả M.A Hossain cùng với cộng sự của mình cũng đã nghiên cứu sử dụng vỏ

Nhóm các tác giả M.N.A Al-Azzawi, S.M Shartooh và S.A.K Al-Hiyaly cũng

, Ni2+, Zn2+ Kết quả

Việc sử dụng vỏ chuối để hấp phụ ion kim loại nặng cũng được nhóm tác giả khác ở Braxin thực hiện Renata S.D Castro cùng các cộng sự đã dùng vỏ chuối biến

Hai tác giả Sunil Rajoriya và Balpreet kaur đã chế tạo các VLHP từ vỏ chuối

nhiều so với vỏ chuối ban đầu Hai tác giả cũng đã khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ: pH tối ưu là 4, nhiệt độ đạt cân bằng hấp phụ nằm trong khoảng

30oC ÷35o

C [29]

Ở nước ta có tác giả Đặng Văn Phi thuộc trường Đại học Đà Nẵng cũng nghiên

và Pb2+ Nghiên cứu cũng thu được kết quả là khả năng hấp phụ hai ion này của vỏ chuối sau biến tính cao hơn nhiều so với nguyên liệu đầu Tác giả cũng đã khảo sát được các điều kiện tối

ưu cho quá trình hấp phụ: pH tối ưu là 6 và thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 60 phút

là 7,704

[15]

Như vậy, khi biến tính khả năng hấp phụ của vỏ chuối tăng, cụ thể khi biến tính

đó trong nghiên cứu này chúng tôi biến tính vật liệu hấp phụ bằng axit xitric

1.2 Gi ới thiệu axit xitric

1.2.1 C ấu tạo và một số đặc điểm về axit xitric

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của axit xitric

Là một triaxit, có những tính chất chung của một axit cacboxylic Ở điều kiện thường,

axit xitric tồn tại ở dạng tinh thể khan hoặc dạng monohiđrat (C6H8O7.H2O) Axit

C [31]

Thời gian gần đây axit xitric được sử dụng làm tác nhân este hóa xenlulozơ

E.Marshall (2006) dùng axit xitric hoạt hóa vỏ đậu nành đều nhận thấy một sự gia tăng đáng kể khả năng tách loại các ion kim loại tan trong nước [30]

1.2.2 Ngu ồn axit xitric

Theo các kết quả nghiên cứu, nguồn axit xitric dùng để biến tính chủ yếu là axit xitric thương mại, tuy nhiên một số nghiên cứu cho thấy axit xitric còn có nhiều trong các loại trái cây thuộc họ chanh, cam, quít; đặc biệt là nhiều nhất trong chanh

Bảng 4 Hàm lượng của axit xitric trong một số loại trái cây (g/l) [28]

vậy, điểm mới trong đề tài này là chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp axit xitric

1.3 Ph ản ứng este hóa

Quá trình hoạt hóa bao gồm các bước: ngâm vật liệu trong dung dịch axit xitric bão hòa, sau đó sấy khô, các phân tử axit xitric khi đó sẽ thẩm thấu vào các mao quản

chuyển thành dạng anhyđric, tiếp theo là phản ứng este hóa xảy ra giữa anhyđric axit

và các nhóm hiđroxyl của xenlulozơ Tại vị trí phản ứng như vậy đã xuất hiện hai nhóm chức axit (từ axit xitric) có khả năng trao đổi ion Nếu tăng nhiệt độ hoặc kéo dài thời gian phản ứng, quá trình este hóa có thể tiếp tục xảy ra đối với các nhóm axit còn lại của axit xitric làm giảm khả năng trao đổi ion [30]

Hình 1.5 Ph ản ứng este hóa giữa xenlulozơ và axit xitric

So với các biện pháp biến tính xenlulozơ trước đó, phương pháp sử dụng axit xitric có nhiều ưu điểm như điều kiện phản ứng đơn giản, tác nhân axit không độc hại, giá thành không cao Phương pháp này được nhiều tác giả khác ứng dụng rất hiệu quả cho các phụ phẩm nông nghiệp như xơ dừa, bông vải, trấu… đó là các loại vật liệu xốp dễ dàng cho axit xitric ngấm vào bên trong Còn đối với một số gỗ cứng, biện pháp này có hiệu quả không cao

1.4 Gi ới thiệu về niken

1.4.1 Đặc tính của niken

Trong bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học, nguyên tố niken (Ni) nằm ở ô số 28,

4s2

Là kim loại màu trắng bạc, có ánh kim, dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ đánh bóng

C)

1.4.2 Ngu ồn phát sinh niken

Niken được phân bố chủ yếu trong các khoáng vật và có mặt trong các tế bào động thực vật Nguồn niken lớn nhất do con người tạo ra là việc đốt cháy nhiên liệu và dầu ăn thừa, thải ra 26700 tấn Ni/năm trên toàn thế giới Niken tập trung trong khói

Niken có trong nước thải của một số nhà máy luyện kim và hoá chất có sử dụng niken, đặc biệt là trong nước thải của các cơ sở mạ điện và sản xuất thép

Trong tự nhiên cũng có các nguồn phát sinh niken như: hoạt động của núi lửa, cháy rừng, bụi sao băng [2]

1.4.3 Độc tính của niken

Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, tích lũy trong

cơ thể thực vật và một số loài thủy sinh Niken có khả năng hoạt hoá một số enzim trong cơ thể, độc tính của niken được thể hiện khi nó có thể thay thế các kim loại thiết yếu trong các enzim và gây ra sự đứt gãy các đường trao đổi chất trong cơ thể sinh vật

và người Tiếp xúc lâu với niken có thể xuất hiện hiện tượng viêm da và dị ứng Khi vào trong cơ thể, niken tan vào máu, kết hợp với albumin tạo thành hợp chất protein kim loại Niken tích lũy trong các mô và được đào thải qua nước tiểu Nguy hiểm lớn nhất khi tiếp xúc với niken là có thể mắc bệnh ung thư đường hô hấp Nhiễm độc niken có thể chia thành hai trường hợp:

nhiễm độc cấp tính rất chậm, hậu quả dẫn đến viêm phổi xơ hóa

- Nhiễm độc mãn tính: nhiều nghiên cứu cho thấy những công nhân tinh chế niken có nguy cơ mắc bệnh ung thư xoang mũi, thanh quản và phổi Ngộ độc niken qua đường

hô hấp gây khó chịu, buồn nôn, đau đầu Nếu kéo dài sẽ làm tăng nguy cơ gây bệnh ác

tính ở một số cơ quan khác như gây ung thư thanh quản, dạ dày, thận và một số phụ tạng khác (mô mềm).

Hàm lượng cho phép của niken trong nước uống theo TCVN là 0.01mg/l [2, 4, 5]

1.5 S ự ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng

Ngày nay do sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ, dẫn đến nguồn nước đang bị ô nhiễm và ảnh hưởng trực tiếp tới môi trường, sức khỏe con người Đặc biệt vấn đề nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng đang được quan tâm Có nhiều nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm kim loại nặng của nước như hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp luyện kim, công nghiệp sản xuất hóa chất,

điện nói riêng có chứa hàm lượng cao muối vô cơ và kim loại nặng Tùy theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô nhiễm chính có thể là đồng, niken, kẽm,… và cũng tùy vào muối kim loại sử dụng mà nước thải có chứa cả các độc tố khác như sunfat, xianua, amonium, …

Chỉ số ô nhiễm kim loại nặng của nước thải ngành mạ điện được trình bày ở Bảng 6

Bảng 6 Các chỉ số ô nhiễm kim loại nặng của nước thải mạ điện [1]

1.6 M ột số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng

1.6.1 Phương pháp kết tủa

Nguyên tắc chung của phương pháp kết tủa là thêm một tác nhân tạo kết tủa vào dung dịch nước, điều chỉnh pH của môi trường để chuyển ion cần tách về dạng hợp chất ít tan, tách ra khỏi dung dịch dưới dạng kết tủa, thường sử dụng chất kiềm cho vào dung dịch chứa ion kim loại cần kết tủa đến khi kết tủa hoàn toàn và sau đó lắng,

rẻ và không độc hại [8]

1.6.2 Phương pháp trao đổi ion

Nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion: dùng ionit là nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc hyđrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột cationit và anionit Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch và cũng không bị biến mất hoặc hoà tan Các ion dương hay âm cố định trên các gốc này trao đổi với ion cùng dấu có trong dung dịch Đối với xử lý kim loại hoà tan trong nước thường dùng cơ chế phản ứng thuận nghịch [8, 12]

1.6.3 Phương pháp điện hóa

Đây là phương pháp tách kim loại bằng cách nhúng các điện cực trong nước thải

có chứa kim loại nặng cho dòng điện một chiều chạy qua Phương pháp này cho phép tách các ion kim loại ra khỏi nước mà không bổ sung thêm hóa chất, nhưng lại thích hợp với nước thải có nồng độ kim loại cao (trên 1g/l) và chi phí điện năng là khá lớn [12]

1.6.4 Phương pháp sinh học

Một số loài thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại như chất vi lượng trong quá trình phát triển sinh khối như bèo tây, bèo tổ ong, tảo… Với phương pháp này, nước thải cần có nồng độ kim loại nặng nhỏ hơn 60 mg/l và phải bổ sung đủ chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho sự phát triển của các loài thực vật như rong tảo Phương pháp này cần diện tích lớn và nếu nước thải

có lẫn nhiều kim loại thì hiệu quả xử lý kém [12]

1.6.5 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp này sử dụng các vật liệu hấp phụ có diện tích bề mặt riêng lớn, trên đó có các trung tâm hoạt động, có khả năng lưu giữ các ion kim loại nặng trên bề mặt VLHP Việc lưu giữ các ion kim loại nặng có thể do lực tương tác giữa các phân

tử (lực Vander Waals – hấp phụ vật lý), cũng có thể do sự tạo thành các liên kết hóa học, tạo phức chất giữa các ion kim loại với các nhóm chức (trung tâm hoạt động) có trên bề mặt VLHP (hấp phụ hóa học), cũng có thể theo cơ chế trao đổi ion

Có thể dùng để xử lý cục bộ khi trong nước hàm lượng chất nhiễm bẩn nhỏ và có thể xử lý triệt để nước thải đã qua xử lý sinh học hoặc qua các biện pháp xử lý hoá học Đây chính là ưu điểm của phương pháp hấp phụ so với các phương pháp xử lí đã

đề cập ở trên Một số chất hấp phụ thường được dùng: cacbon hoạt tính, zeolit, bã mía,

phụ xảy ra trong pha lỏng) hoặc áp suất (nếu sự hấp phụ xảy ra trong pha khí) Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lý:

Trong hấp phụ vật lý, các phân tử bị hấp phụ liên kết với các tiểu phân (nguyên

tử, ion, phân tử) ở bề mặt chất hấp phụ bởi lực liên kết Van der Waals yếu Lực đó bao gồm các lực hút như lực tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và định hướng Sự hấp phụ vật lý luôn là một quá trình thuận nghịch, nhiệt hấp phụ nhỏ, vào khoảng vài chục kJ/mol

H ấp phụ hóa học:

Trong hấp phụ hóa học, lực tương tác giữa các tiểu phân là lực liên kết hóa học (liên kết ion, cộng hóa trị, phối trí) Hấp phụ hóa học là quá trình bất thuận nghịch Nhiệt hấp phụ của quá trình lớn, khoảng vài trăm kJ/mol

Trong thực tế, sự hấp phụ vật lý và hóa học chỉ mang tính chất tương đối, vì ranh giới giữa chúng không thật rõ ràng Trong một số trường hợp xảy ra đồng thời cả hai quá

trình hấp phụ, các chất bị hấp phụ trên bề mặt do các lực vật lý và sau đó liên kết với chất hấp phụ bởi các lực hóa học [8,12]

1.7.2 Nhi ệt động học của quá trình hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình tự diễn biến, vì vậy quá trình hấp phụ luôn kèm theo

sự giảm năng lượng tự do của hệ (ΔG) Do kết quả của sự định cư trên bề mặt của các phân tử chất bị hấp phụ nên số bậc tự do của chúng giảm và do đó entropi của hệ giảm (hệ chuyển từ vô trật tự sang có trật tự)

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir [13, 18]

Theo Langmuir, bán kính tác dụng của lực hấp phụ nhỏ, mỗi trung tâm hấp phụ một phân tử và như vậy trên bề mặt tạo thành một lớp hấp phụ đơn phân tử Các phân

tử đã bị hấp phụ không cản trở sự hấp phụ các phân tử khác ở trên bề mặt còn trống

- b (l/g) là hằng số liên quan tới nhiệt hấp phụ (ái lực hấp phụ)

Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, có thể chuyển phương trình về dạng phương trình đường thẳng:

2.1 Nội dung nghiên cứu

 Chế tạo vật liệu từ vỏ chuối theo sơ đồ sau:

+ nghiền nhỏ

+ rửa bằng nước cất + sấy 55 o

Vỏ chuối tẩm axit xitric

Vỏ chuối

biến tính

Vật liệu hấp phụ (VLHP)

 Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố sau đến quá trình biến tính vỏ chuối:

+ nồng độ axit xitric

+ thời gian biến tính

+ tỉ lệ hỗn hợp axit xitric và nước cốt chanh

chuối đã biến tính:

+ pH

+ nồng độ Niken

 So sánh khả năng hấp phụ của vỏ chuối nguyên liệu và VLHP

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp phân tích trắc quang

2.2.1.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang

Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các phương pháp phân tích quang học dựa trên sự tương tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lượng bức xạ thuộc vùng tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại

Khi chiếu các bức xạ điện từ qua dung dịch của các chất thì chất sẽ hấp thụ chọn lọc một phần năng lượng bức xạ làm cho phân tử bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn Ở trạng thái kích thích, phân tử không bền vững và sau một thời gian

đầu bền hơn Năng lượng thừa sẽ được giải phóng ra dưới một trong ba dạng: hóa năng, quang năng và nhiệt năng Trong đó quá trình giải phóng quang năng được sử dụng làm cơ sở cho phương pháp phân tích trắc quang để xác định nồng độ các chất dựa trên định luật cơ bản về hấp thụ ánh sáng

Phương trình của định luật cơ bản về hấp thụ ánh sáng (định luật Bouguer – Lambert – Beer):

I = εlC Trong đó:

ε: hệ số hấp thụ phân tử gam (cm2/mol), là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước sóng λ của bức xạ đơn sắc và vào nhiệt độ

Giá trị A được xác định bằng máy trắc quang, sau đó đựa vào phương trình trên

để suy ra nồng độ chất cần xác định [6, 10]

2.2.1.2 Phương pháp đường chuẩn trong phân tích trắc quang

Khi phân tích hàng loạt mẫu, để rút ngắn thời gian chuẩn bị và thời gian tính toán kết quả, ta dùng phương pháp đường chuẩn

Trước hết phải pha một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất chuẩn tăng dần Thêm lượng thuốc thử, điều chỉnh pH, dung môi vào cả dãy dung dịch với lượng như nhau Đem đo độ hấp thụ quang của cả dãy dung dịch, lập đồ thị A = f(C) gọi là đường chuẩn

Hình 1.7 D ạng đường chuẩn trong phân tích trắc quang 2.2.1.3 Phương pháp định lượng niken bằng trắc quang

với đimetylglyoxim (HDim) Tạo các phức tan trong nước có màu nâu đỏ, hấp thụ cực đại ở bước sóng λ = 470 nm và có hệ số hấp thụ ε = 1300 Thông thường dùng chất oxi

C

Cx

Ax

A

Hình 1.8 Ph ức Niken đimetylglyoxim

Trong khóa luận này chúng tôi chọn phương pháp đường chuẩn để định lượng niken trong dung dịch Các dung dịch chứa niken có nồng độ xác định khác nhau sẽ được đo mật độ quang, sau đó dùng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng

A = a + bC Trong đó:

đi đo mật độ quang A để xác định nồng độ [3, 6, 10, 21]

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành đo trắc quang xác định nồng độ trên máy

V – 630 UV – Vis Spectrophotometer tại phòng Phân tích trung tâm 1 của khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm TP.HCM

2.2.2 Phương pháp phổ hồng ngoại

Phương pháp phổ hồng ngoại là một chuyên đề khá rộng trong các phương pháp phổ ứng dụng trong hóa học Trong luận văn này, chúng tôi chỉ trình bày một số nội dung của phương pháp phổ này nhằm phục vụ cho việc biện luận các kết quả thực nghiệm ở chương sau [16]

Phổ hồng ngoại (IR) là một trong các kĩ thuật phân tích quan trọng Một trong các lợi thế của phổ IR là hầu như bất kì mẫu nào và ở trạng thái nào cũng có thể nghiên cứu được (chất lỏng, dung dịch, bột nhão, bột khô, phim, sợi, khí và các bề

mặt…) Phổ kế IR đã có từ những năm 1940 – 1950, và hiện nay phổ kế IR do gắn với máy tính nên đã cải thiện đáng kể chất lượng phổ IR và giảm bớt thời gian đo mẫu Phổ IR là một kĩ thuật dựa vào sự dao động và quay của các nguyên tử trong phân tử Nói chung, phổ IR nhận được bằng cách cho tia bức xạ IR đi qua mẫu và xác định phần tia tới bị hấp thụ với năng lượng xác định Năng lượng tại pic bất kì trong phổ hấp thụ xuất hiện tương ứng với tần số dao động của một phần của phân tử mẫu

2.2.2.1 Sự hấp thụ IR

Khi phân tử hấp thụ các bức xạ IR, chúng bị kích thích và chuyển lên mức năng lượng cao hơn Sự hấp thụ này được lượng tử hóa: phân tử chỉ hấp thụ các tần số (năng lượng) được lựa chọn của bức xạ IR, do đó mỗi loại dao động trong phân tử hấp thụ ở

);

) Trong phân tích hữu cơ thì IR trung bình là vùng IR quan trọng nhất

2.2.2.2 Sử dụng phổ IR

Do mỗi dạng liên kết có tần số dao động khác nhau và do hai dạng liên kết như nhau trong hai hợp chất khác nhau, ở môi trường xung quanh cũng khác nhau, nên không có hai phân tử với cấu trúc khác nhau có các hấp thụ IR (hay phổ IR) giống nhau Mặc dù một vài tần số hấp thụ trong hai trường hợp có thể giống nhau, nhưng không có trường hợp nào mà phổ IR của hai phân tử khác nhau lại đồng nhất được Bằng cách so sánh phổ IR của hai hợp chất ta có thể xác định chúng có giống nhau hay

, được gọi là vùng “vân ngón tay”, thì trong hầu hết các trường hợp hai chất là đồng nhất

Các hấp thụ của mỗi dạng liên kết (N-H, C-H, O-H, C-X, C=O, C-O, C-C, C=C, C≡C, C≡N,…) chỉ xuất hiện trong vùng nhỏ của phổ IR Mỗi vùng phổ IR có thể xác định cho mỗi dạng liên kết, ngoài vùng này, hấp thụ thường thuộc về dạng liên kết

C=O (nhóm cacbonyl) trong phân tử

Cường độ hấp thụ IR được biểu diễn theo tung độ của phổ IR, trong đó sử dụng

độ truyền qua (%T) hoặc độ hấp thụ (A)

Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng phương pháp phổ IR với mục đích xác nhận sự có mặt của nhóm cacbonyl (C=O) trong gốc –COOH, trong vùng hấp thụ

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành đo Phổ IR tại phòng Phân tích trung tâm 1 của khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm TP.HCM

2.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET)

Phương pháp BET (Brunauer – Emmett – Teller) là một trong những phương pháp đo diện tích bề mặt phổ biến hiện nay Phương pháp này được hoạt động theo nguyên lý sử dụng quá trình hấp phụ – giải hấp phụ vật lý khí nitơ ở nhiệt độ nitơ lỏng 77K [20]

Phương trình BET tổng quát như sau:

𝑃𝑃𝑉𝑉(𝑃𝑃0− 𝑃𝑃) =

 W là khối lượng mẫu

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành đo BET tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano và phân tử (MANAR) , địa chỉ: khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP HCM

2.4 X ử lí số liệu

2.4.1 Khái ni ệm về phân tích phương sai

cho phép đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau tới kết quả quan trắc

 ANOVA cho phép phân tích sự sai khác giữa các kết quả đo là sự khác nhau giữa các phòng thí nghiệm (do yếu tố) và sự thăng giáng kết quả đo trong nội bộ mỗi phòng thí nghiệm (do sự ngẫu nhiên)

2.4 2 Phân tích phương sai một yếu tố

có m mức đến kết quả quan trắc, ví dụ ảnh hưởng của các phòng thí nghiệm khác nhau đến kết quả phân tích

Bảng 7 Bảng qui hoạch thực nghiệm [11]

i

X x

Để khái quát hóa ta nghiên cứu ANOVA của phép phân tích được thực hiện bởi

m phòng thí nghiệm, mỗi phòng tiến hành song song n phép phân tích cùng một

nghĩa là giá trị thu được trong phép xác định thứ j của phòng thứ i Kết quả phân tích được trình bày dưới dạng như trên (Bảng 6)

Theo nguyên tắc chung để tính phương sai sử dụng công thức:

i i

SS MS

Trong các PTN (giữa

j j

SS MS

=

2 1

=

j

n m ij

1

=

m i i

X SS

n

=

2 1 3

=

m i i

X SS

MS (5) Tra: F (p, fi, fj)

 Công cụ tính:

1 Tính theo các công thức ghi trong Bảng 7 và các công thức từ (1) đến (5)

2 Sử dụng “Anova Single Factor” của lệnh Data Analysis trong đơn lệnh Tools của chương trình MS- Excel

2.5 D ụng cụ, thiết bị và hóa chất

2.5.1 D ụng cụ, thiết bị

 Dụng cụ thủy tinh như bình tam giác (250 ml), bình định mức (50 ml, 250 ml,

1000 ml), cốc thủy tinh (50 ml, 250 ml, 1000 ml), đũa thủy tinh, phễu