Nghiên cứu sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu xử lý Ni(II) trong nước

1.3 Xử lý kim loại nặng bằng sinh khối của thực vật 11 1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng trong nước bằng vật liệu sinh học... Đề tài “Nghiên cứu sử dụng phế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHAN NGỌC QUÝ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ Ni(II) TRONG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHAN NGỌC QUÝ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ Ni(II) TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN THỊ MINH

TS TRẦN LỆ MINH

Hà Nội – 2019

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện trong chương trình đào tạo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn

Hà Nội, tháng 03 năm 2019

Người thực hiện luận văn

Phan Ngọc Quý

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến TS Trần Thị Minh và TS Trần Lệ Minh, những người trực tiếp hướng dẫn em, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu từ lúc bắt đầu đến khi hoàn thành đồ án

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô và anh chị tại Viện Khoa học và Công nghệ môi trường- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập, giúp em có được những kiến thức cần thiết cho việc thực hiện đồ

án cũng như cho công việc

Em cũng xin cảm ơn sự ủng hộ của gia đình, bạn bè, người thân đã ủng hộ, giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn, cảm ơn Phương Anh luôn là nguồn động lực cho anh cố gắng

Mặc dù nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các cô hướng dẫn, bản thân em cũng luôn nỗ lực nhưng bản luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót

do hạn chế của bản thân En rất mong nhận được sự thông cảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 3 năm 2019

Phan Ngọc Quý

1.3 Xử lý kim loại nặng bằng sinh khối của thực vật 11

1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng

trong nước bằng vật liệu sinh học

iv

2.6 Xử lý thống kê và biểu diễn các số liệu thực nghiệm 27

3.2 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới hiệu suất xử lý Ni(II) 33

3.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn – lỏng đến hiệu suất xử lý Ni(II) 37

Phụ lục 5 Kết quả đo diện tích bề mặt của B-CFH

Phụ lục 6 Một số hình ảnh thực hiện nghiên cứu

82

99

Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

BET Brunauer Emmett Teller

BTNMT Ministry of Natural Resources

and Environment (MONRE) Bộ Tài nguyên và Môi trường FTIR Fourier Transform Infrared Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

HUST Hanoi University of Science and

ICP Inductively coupled plasma Quang phổ phát xạ cao tần plasma

INEST Institute for Environmental

Science and Technology

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường

SEM Scanning Electronic Microscope Kính hiển vi điện tử quét

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.2 Thành phần các dòng thải Công ty TNHH Mektec

Bảng 1.3 Thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp 9 Bảng 3.1 Hằng số đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich khi xử lý Ni(II) 41

Bảng 3.2 Khả năng hấp phụ Ni(II) của CFH và B-CFH

Bảng 3.3 Thông số mô hình giả động học bậc 1 và bậc 2 47

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ mạ vàng không điện phân kèm dòng thải 6 Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ mạ vàng cứng liên tục kèm dòng thải 7

Hình 1.4 Cơ chế sử dụng vật liệu sinh học để xử lý kim loại 13

Hình 3.1 Ảnh SEM của CFH trước (a) và sau xử lý (b) Ni(II) ở độ

viii

Hình 3.13 Giả động học bậc 1 đối với hấp phụ Ni(II) trên CFH và B-CFH 46 Hình 3.14 Giả động học bậc 2 với hấp phụ Ni(II) trên CFH và B-CFH 48

Hình PL 3.2 Ảnh SEM của vật liệu CFH sau xử lý Ni(II) 62

Hình PL 3.4 Ảnh SEM của vật liệu B-CFH sau xử lý Ni(II) 64

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Chiến lược phát triển công nghiệp Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn 2035

đã chỉ rõ tập trung phát triển các nhóm ngành công nghiệp chế biến chế tạo, điện tử viễn thông, năng lượng mới và năng lượng tái tạo Đồng hành cùng các hoạt động công nghiệp là quá trình phát sinh nước thải cũng tăng lên với đủ loại thành phần và đặc trưng khác nhau, góp phần gây ô nhiễm môi trường Ngành sản suất điện tử sử dụng một số quy trình mạ phát sinh nước thải chứa kim loại nặng với nồng độ thông thường từ vài mg/L đến vài chục mg/L, nếu không được xử lý sẽ là mối đe dọa đến môi trường và sức khỏe con người

Niken được sử dụng trong quy trình mạ nhằm mục đích tăng độ bền của vật liệu, nâng cao khả năng dẫn diện Kim loại này nằm trong nhóm 14 nguyên tố hóa học có độc tính cao nhất đối với con người và động vật Phơi nhiễm niken gây ra các bệnh về da như dị ứng, phát ban, tăng khả năng nhiễm các bệnh ung thư liên quan đến phổi, đường hô hấp Vì vậy, xử lý nước thải chứa niken trước khi thải ra môi trường là rất cần thiết

Để loại bỏ niken trong nước, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp kết tủa; ngoài ra còn có các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion, phương pháp màng Các phương pháp này đều có ưu điểm riêng và được áp dụng tùy vào các trường hợp cụ thể Tuy nhiên, chúng có một số nhược điểm liên quan đến việc cần

bổ sung nhiều hóa chất và phát sinh nhiều bùn thải, hoặc giá thành vật liệu cao Trong những năm gần đây, xu hướng nghiên cứu sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu hấp phụ để xử lý kim loại nặng trong nước đang ngày càng phát triển Phương pháp này có ưu điểm là vật liệu hấp phụ được chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể xử lý đồng thời nhiều kim loại nặng, có khả năng tái sử dụng và thu hồi kim loại

Đề tài “Nghiên cứu sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp làm vật liệu xử lý Ni(II) trong nước” được thực hiện nhằm mục đích tận dụng chất thải từ quá trình

chế biến cà phê để chế tạo vật liệu xử lý niken trong nước

2

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo 2 vật liệu từ chất thải của quá trình tách hạt cà phê theo phương pháp truyền thống: i/ sinh khối khô, và ii/ than sinh học

- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý Ni(II) trong nước của 2 vật liệu đã chế tạo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu:

- Vật liệu: sinh khối khô được hoạt hóa và than sinh học được chế tạo trong điều kiện yếm khí từ chất thải của quá trình tách hạt cà phê

- Kim loại: dung dịch Ni(II) có nồng độ khoảng 50 mg/L, là kim loại nặng thường có mặt trong nước thải của một số cơ sở ngành công nghiệp mạ

 Phạm vi nghiên cứu: thực hiện trong phòng thí nghiệm

 Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm R&D công nghệ môi trường – Viện Khoa học và công nghệ môi trường, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

4 Đóng góp của luận văn

- Xây dựng 2 quy trình chế tạo vật liệu từ chất thải của quá trình tách hạt cà phê tạo sản phẩm là sinh khối khô (CFH) và than sinh học (B-CFH)

- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: thời gian tiếp xúc, pH của dung dịch, tỷ

lệ rắn lỏng đến hiệu suất xử lý Ni(II) trong nước bởi 2 vật liệu đã được chế tạo

- Biểu diễn các số liệu thực nghiệm theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich Xác định dung lượng tối đa của vật liệu

- Xác định động học của quá trình xử lý Ni(II) trong nước bởi CFH và CFH

B-5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tận dụng chất thải từ quá trình chế biến cà phê để chế tạo vật liệu sinh học theo 2 hướng là hoạt hóa sinh khối khô và than sinh học Đây là những vật liệu sinh học giá thành thấp, thân thiện với môi trường và có khả năng xử lý Ni(II) trong nước

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm;

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Bảng 1.1 Hằng số vật lý quan trọng của niken [10]

8 Độ dẫn nhiệt ở 25oC (W/m.K) 90,9

Về mặt tính chất hóa học, niken là nguyên tố kim loại có hoạt tính hóa học trung bình Ở điều kiện thường, nếu không có hơi ẩm, nó không tác dụng rõ rệt ngay với những nguyên tố phi kim điển hình như O2, S, Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ Tuy nhiên, khi đun nóng, niken phản ứng mãnh nhiệt, nhất là khi niken ở trạng thái được chia nhỏ

- Niken tác dụng với phi kim: Khi đun nóng trong không khí, niken bắt đầu tác dụng với oxy ở nhiệt độ >500°C

5

Ni + O2 → NiO (1.1) Niken bền với flo ở nhiệt độ cao hay ở nhiệt độ nóng đỏ Niken tác dụng với nitơ ở nhiệt độ không cao lắm

đá và một số trầm tích cũng có chứa một hàm lượng nhỏ niken

1.1.2 Nguyên nhân và hiện trạng ô nhiễm niken trong nước

Cũng như một số kim loại nặng khác, niken tồn tại trong nước có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Theo nguồn gốc tự nhiên, niken đi vào trong nước do quá trình phong hóa, thủy hóa các đá có khoáng vật chứa niken Các quá trình này chủ yếu gây ô nhiễm niken ở các tầng nước ngầm Bên cạnh đó, một lượng lớn niken được thải vào môi trường nước thông qua các hoạt động sản xuất công nghiệp của con người Hơn 70% niken được sản xuất hàng năm được dành cho việc sản xuất hợp kim Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong hoàn thiện kim loại trong các ngành công nghiệp như khai khoáng; luyện kim; xi mạ; chế biến kim loại; công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy, máy bay; công nghiệp hóa chất… [9], trong sản xuất pin, trong các quá trình sản xuất công nghiệp như một chất xúc tác, trong ngành công nghiệp thủy tinh và gốm sứ [44]

Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp điện tử mặc dù hình thành muộn nhưng có tốc độ tăng trưởng khá nhanh qua các năm và ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong sản xuất công nghiệp và xuất

Nước DI

Nước DI Rửa nước Nước Nước

thải DI Rửa nước

Nước thải thông thường

thông thường

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ mạ vàng không điện phân kèm dòng thải

thông thường

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ mạ vàng cứng liên tục

Nước thải kiềm

Nước thải tẩy rửa

Nước thải niken

Nước thải HCl

N3: Khu công nghiệp Nội Bài, nước thải tại cống chung ngày 09/11/2005 [15]

N4: Nước thải phân xưởng mạ của công ty TNHH phụ tùng xe máy ô tô Showa Việt Nam – nhà máy 1, ngày 12/10/2016 [nguồn: QUATEST1 2016]

N5: Nước thải phân xưởng mạ của công ty TNHH phụ tùng xe máy ô tô Showa Việt Nam – nhà máy 1, ngày 12/10/2016 [nguồn: QUATEST1 2016]

N6: Nồng độ trung bình trong nước thải một xưởng mạ điện [5]

N7: Nước thải công đoạn rửa của cơ sở mạ [16]

10

1.2 Ảnh hưởng của ô nhiễm niken trong nước đến môi trường và con người

Niken ít có mặt trong nước sinh hoạt và nước tự nhiên và thường gặp ở một số nguồn nước chảy qua các vùng có chứa quặng niken Tuy nhiên, trong quá trình phát triển công nghiệp và các hoạt động sản xuất đã thải vào môi trường một lượng lớn nước thải có chứa niken nồng độ cao không được xử lý hoặc xử lý nhưng chưa đạt tiêu chuẩn cho phép của dòng thải đã gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước, ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường sinh thái

Trong môi trường nước, niken thường tồn tại dạng ion Ni2+ Độ hoà tan của muối niken nhìn chung khá cao, khả năng thuỷ phân thấp Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, có khả năng tạo phức bền với các hợp chất hữu

cơ Nó được tích tụ trong các chất sa lắng, trong cơ thể thực vật bậc cao và một số loại thuỷ sinh [47]

Sự tiếp xúc với môi trường ô nhiễm niken cao gây ra các ảnh hưởng bệnh lý tới con người Tiếp xúc với các hợp chất niken có thể gây ra một loạt các tác động xấu đến sức khỏe con người, như dị ứng niken ở dạng viêm da tiếp xúc, xơ hóa phổi, bệnh tim mạch, bệnh thận và ung thư đường hô hấp Ảnh hưởng mạn tính không ung thư có thể là kết quả của việc tiếp xúc lâu dài với nồng độ chất ô nhiễm thấp Ảnh hưởng sức khỏe cấp tính thường do tiếp xúc ngắn hạn với nồng độ chất ô nhiễm cao, biểu hiện ở một loạt các triệu chứng lâm sàng như buồn nôn, nôn, khó chịu ở bụng, tiêu chảy, rối loạn thị giác, chóng mặt và ho [17]

Giá trị giới hạn cho phép của niken trong nước thải công nghiệp khi thải vào môi trường tiếp nhận theo QCVN 40:2011/BTNMT là 0,2 mg/L đối với cột A, 0,5 mg/L đối với cột B Đối với chất lượng nước ăn uống theo QCVN 01:2009/BYT và chất lượng nước khoáng thiên nhiên đóng chai liên quan đến an toàn thực phẩm theo QCVN 06-1:2010/BYT giới hạn cho phép của niken là 0,02 mg/L EU giới hạn cho niken trong nước uống là 0,02 mg/L (EU, 2014)

11

1.3 Xử lý kim loại trong nước bằng sinh khối của thực vật

1.3.1 Đặc điểm sinh khối của thực vật

Vật liệu lignocellulose là phần chính hình thành nên vách tế bào thực vật, có trong chất thải nông nghiệp như bã mía, cỏ dại, thân và lá cây, trấu, ngô, vỏ cà phê, Sinh khối của thực vật (lignocellulose) có thành phần chính là xenllulo, lignin và hemixenllulo [31] Thành phần trung bình theo trọng lượng của ba polyme sinh học gồm cellulose (30-50%), hemicellulose (19-45%) và lignin (15-35%) Liên kết giữa cellulose, hemicellulose và lignin thông qua liên kết este và ete làm cho sinh khối có tính bền vững [37]

Xenllulo là hợp chất hữu cơ có công thức (C6H10O5)n (hình 1.3), là polyme mạch thẳng đồng nhất gồm các phân tử đường glucoza liên kết với nhau thông qua liên kết β-1,4-glicozit và liên kết hydro nội phân tử và giữa các phân tử [38]

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử xenllulo

Hemixenllulo là một polysaccarit có tính chất hóa học khác nhau giữa các loài thực vật, được hình thành bởi pentoza (xyloza, arabinoza), hexoza (glucoza, manoza

và glactoza) và các axit uronic (4-Omethyl-glucuronic, và galacturonic) [38] Xylan polyme là loại polyme phổ biến nhất trong hemixenllulo gồm các liên kết (1-4) không phân nhánh Hemixenllulo cũng có thể cấu tạo chuỗi xoắn ốc như liên kết (1-3), chuỗi phân nhánh liên kết (1-4) như galactoglucomannan gồm các monome đường năm cacbon (xyloza) và đường sáu cacbon (glucoza)

12

Lignin là một hợp chất có cấu trúc phân tử phức tạp chứa polyme liên kết ngang của các đơn phân phenolic, đặc biệt là p-coumaryl ancol, coniferyl ancol, sinapyl ancol Việc loại bỏ lignin cần được thực hiện để xenllulo và hemixenllulo được tiếp xúc với dung dịch xử lý [37]

Việc sử dụng chất hấp phụ giá thành thấp ngày càng thu hút các nhà nghiên cứu

do chi phí thấp, khả năng xử lý hiệu quả, kỹ thuật linh hoạt và khả năng tái sinh vật liệu đã sử dụng [36] Rõ ràng là việc sử dụng các vật liệu tự nhiên hoặc phụ phẩm công nghiệp hoặc vật liệu phế thải nông nghiệp có sẵn tại địa phương làm vật liệu hấp phụ

để loại bỏ kim loại nặng không chỉ hiệu quả về mặt chi phí, mà còn góp phần vào công cuộc xây dựng môi trường "không" chất thải [18, 23, 24, 25, 28, 36] Việt Nam là nước nông nghiệp, nguồn chất thải từ sinh khối của thực vật rất phong phú trong tự nhiên và

là phế phẩm nông nghiệp Đây là nguồn tài nguyên có thể được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để chế tạo các vật liệu xử lý kim loại trong nước

1.3.2 Cơ sở của phương pháp

Trong những năm gần đây, chất thải nông nghiệp có nguồn gốc từ thực vật đã được nghiên cứu làm vật liệu để loại bỏ một số kim loại nặng trong nước Sinh khối của thực vật sau khi được gia công (rửa sạch, làm khô sau đó nghiền nhỏ và có thể được hoạt hóa) sẽ được sử dụng Bản chất của quá trình loại bỏ kim loại nặng trong nước bằng vật liệu sinh học có thể gọi là quá trình hấp phụ bằng vật liệu sinh học Hấp phụ bằng vật liệu sinh học là một công nghệ thay thế trong xử lý nước thải dựa trên đặc tính của các loại sinh khối khác nhau ở dạng khô để liên kết với các kim loại nặng trong nước [48] Hiện tượng hấp phụ này có thể giải thích là do có các loại tương tác vật lý và hóa học khác nhau giữa các nhóm chức có mặt ở thành tế bào của sinh khối (pha rắn) và các kim loại nặng trong pha lỏng

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng một số vật liệu như thân cây đu đủ, lá ngô, lá cây

gỗ tếch, vỏ lạc, vỏ trấu, mùn cưa, xơ dừa, bã mía, vỏ đậu nành, vỏ quả óc chó, quả hạnh nhân,…có khả năng loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch [39] Những vật liệu

13

này có khả năng hấp thu ion kim loại do cấu trúc có nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme như xenlulozo, hemi xenlulozo, pectin, lignin và protein Trong các polyme này chứa các nhóm chức khác nhau như hydroxyl, cacboxyl, aldehyde, aliphatic acid, alken, amide, silicate, sulphonate,… có thể liên kết với ion kim loại

Hình 1.4 Cơ chế sử dụng vật liệu sinh học để xử lý kim loại [20]

Cơ chế của quá trình xử lý kim loại trong nước là khá phức tạp Sự giữ lại các kim loại nặng trên bề mặt của vật liệu không chỉ dựa trên một cơ chế mà có thể gồm nhiều cơ chế kết hợp Hình 1.4 cho biết một số cơ chế khi sử dụng chất thải nông nghiệp để xử lý kim loại trong nước Cơ chế loại bỏ kim loại có thể là trao đổi ion hoặc tạo phức, có thể kéo theo phản ứng hóa học giữa các nhóm chức có trên bề mặt chất hấp phụ và ion kim loại Việc kéo theo quá trình này, trong đa số trường hợp, hình

14

thành do quá trình trao đổi cation hoặc tạo phức với kim loại bởi khả năng trao đổi cation cao của chất hấp phụ Cơ chế hấp phụ cũng có thể là quá trình vận chuyển, khuếch tán và hấp phụ trên bề mặt vật liệu

1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng trong nước bằng vật liệu sinh học

Quá trình hấp phụ nên được tiến hành ở nhiệt độ không đổi Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ thay đổi nhỏ không làm ảnh hưởng quá lớn đến quá trình hấp phụ Ngoài ra, các thông số khác quan trọng như ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, độ pH, nồng độ cân bằng của ion trong pha lỏng và pha rắn, kích thước vật liệu hấp phụ,… đều ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình hấp phụ

1.3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc

Có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình hấp phụ Yếu tố đầu tiên và quan trọng là các vị trí hấp phụ chưa được bão hòa, do thời gian tiếp xúc chưa

đủ hoặc thời gian tiếp xúc đủ nhưng đã xảy ra quá trình giải hấp phụ và hấp phụ ngay sau khi bão hòa bề mặt vật liệu hấp phụ Tuy nhiên, thường thì ở nồng độ kim loại nặng cố định và lượng chất hấp phụ không đổi, hiệu suất hấp phụ tăng khi thời gian tiếp xúc tăng tới khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng Tuy nhiên, nếu thời gian tiếp xúc quá lâu có thể dẫn tới hiệu suất hấp phụ bị giảm Theo Mehmet Emin Argun

và cộng sự, điều này có thể được giải thích là do, đến một khoảng thời gian nào đó sau

khi đã đạt tới cân bằng hấp phụ vẫn tiếp tục thì quá trình tiếp xúc sẽ xảy ra hiện tượng giải hấp phụ dẫn tới hiệu suất hấp phụ bị giảm, có thể giảm từ 4÷10% sau khi đạt cân bằng [42]

1.3.3.2 Ảnh hưởng của pH

pH là một trong những yếu tố môi trường quan trọng nhất không chỉ ảnh hưởng đến vị trí tương tác mà còn ảnh hưởng đến độ hòa tan của các kim loại trong dung dịch Ngoài ra, pH ảnh hưởng quyết định tới sự hình thành và khả năng hấp phụ sẵn có của ion kim loại lên vật liệu hấp phụ [26] Khi pH thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi các dạng

Ở các giá trị pH < pHpzc (pHpzc là điểm mà điện tích bề mặt của chất hấp phụ bằng 0 và được xác định bằng phương pháp chuẩn độ tại các pH khác nhau) sự hấp phụ của các ion kim loại là thấp vì số lượng lớn proton cạnh tranh với các cation kim loại đối với vị trí hoạt động trên bề mặt vật liệu hấp phụ Khi pH của dung dịch tăng lên, số lượng các vị trí tích điện dương tính giảm và số lượng các vị trí tích điện âm tăng lên

Bề mặt của vật liệu hấp phụ trở nên tích điện âm ở pH > pHpzc và điều này làm tăng khả năng hấp phụ các ion kim loại tích điện dương thông qua các lực hút tĩnh điện và trao đổi ion [34]

Giá trị pH của pha lỏng là thông số kiểm soát quan trọng trong quá trình hấp phụ sinh học Để đánh giá ảnh hưởng của độ pH lên quá trình hấp phụ, thực nghiệm được tiến hành ở các giá trị pH ban đầu khác nhau [39]

1.3.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn – lỏng

Tỷ lệ rắn – lỏng được định nghĩa là tỷ lệ lượng vật liệu hấp phụ dùng để xử lý một thể tích dung dịch kim loại nhất định [49] Để xác định khối lượng vật liệu tối ưu cho quá trình hấp phụ kim loại, thực nghiệm tỉ lệ rắn-lỏng được tiến hành Trong cùng điều kiện thực nghiệm, hiệu suất hấp phụ tăng khi lượng chất hấp phụ tăng trên cùng một thể tích dung dịch kim loại Tuy nhiên, sau khi quá trình đạt cân bằng, hiệu suất không tăng thêm khi tăng lượng chất hấp phụ Có nghiên cứu cho rằng tương tác tĩnh điện giữa các lỗ rỗng có thể là yếu tố quan trọng trong mối quan hệ giữa tỉ lệ rắn/lỏng

và quá trình hấp phụ kim loại [40] Từ số liệu thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ rắn – lỏng

16

và hiệu suất hấp phụ, có thể dựng được các đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich

1.3.3.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn

Quá trình khuấy trộn thực chất là quá trình chủ động tăng tốc độ chuyển khối trong môi trường, nhờ đó tốc độ tiếp xúc giữa các ion kim loại và bề mặt chất hấp phụ tăng, sự khuếch tán các ion kim loại vào chất hấp phụ tăng và nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng Tuy nhiên, khi tốc độ khuấy trộn tăng đến một mức nào đó, tốc độ khuếch tán sẽ giảm Điều này có thể giải thích bởi khi tốc độ khuấy trộn cao sẽ cung cấp thêm năng lượng giúp phá vỡ liên kết mới tạo thành giữa các ion kim loại và bề mặt chất hấp phụ vừa mới hình thành [40]

Quá trình khuấy trộn tiêu hao năng lượng và ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ nên việc xác định tốc độ khuấy trộn tối ưu trong nghiên cứu là quan trọng

Ngoài các yếu tố chính kể trên, kích thước vật liệu, nồng độ kim loại trong dung dịch ban đầu, sự có mặt của các ion khác trong pha lỏng, nhiệt độ, cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình hấp phụ bằng vật liệu sinh học

1.3.4 Tình hình nghiên cứu xử lý Ni(II) trong nước bằng vật liệu sinh học

Trong những năm gần đây, hấp phụ kim loại bằng vật liệu là những chất thải nông nghiệp được nghiên cứu nhiều kể cả trên thế giới và Việt Nam Với những vật liệu hấp phụ rất đa dạng, từ phụ phẩm nông nghiệp, đến sinh khối của các cây công nghiệp hay tảo, vi sinh vật được khảo sát và nghiên cứu Tùy vào điều kiện địa lý khác nhau mà mỗi vùng có loại vật liệu tự nhiên khác nhau

Các phế phụ phẩm nông nghiệp phát sinh từ các quá trình sản xuất được phân thành các loại chủ yếu: (i) chất thải từ cây trồng, như từ lúa mì, lúa gạo; (ii) sợi, ví dụ

xơ dừa, đay và bông; (iii) vỏ củ quả/trái cây như vỏ khoai tây, vỏ cam quýt, vỏ trứng,

vỏ hạt, chất thải từ trà và cà phê, vỏ cà phê, chất thải từ trái dừa, bã pectin của củ cải đường; (iv) chất thải từ gỗ/cây, như chất thải từ thân cây nho [22]

17

Basma G Alhogbi và cộng sự (2018) đã sử dụng sinh khối của vỏ cà phê để xử

lý Zn(II) và Ni(II) trong nước thải Các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của liều hấp phụ, pH của dung dịch, nồng độ kim loại ban đầu và thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ của vật liệu Khả năng hấp phụ của vật liệu đối với Zn(II) và Ni(II) lần lượt là 12,53 và 10,33 mg/g sinh khối khô Quá trình phù hợp với mô hình giả động học bậc 2 (R2> 0,99) [19]

Hala Ahmed Hegazi (2013) đã nghiên cứu khả năng xử lý một mẫu nước tổng hợp gồm ba kim loại Cu, Ni và Fe được pha từ ba loại muối đồng sulphat, niken nitrat

và sắt sulphat bằng vật liệu chế tạo từ vỏ trấu Thực nghiệm ở điều kiện nồng độ Cu, Ni

và Fe đầu vào lần lượt là 5,43; 1,74 và 11,78 mg/L; trong dải tỷ lệ rắn – lỏng 20, 30, 40,

50 và 60 mg/L; tốc độ khuấy trộn 200 vòng/ phút; trong thời gian 20 phút Kết quả khả năng loại bỏ lớn nhất (ở tỷ lệ rắn - lỏng 60 mg/L) đối với ba kim loại Cu, Ni và Fe tương ứng là 98,2; 96,9 và 99,2% [30]

I.Villaescusa, M Martinez và cộng sự [32] đã đưa ra kết quả nghiên cứu xử lý Cu(II), Ni(II) của thân cây nho – chất thải từ quá trình sản xuất rượu được rửa ba lần bằng nước cất, làm khô trong tủ sấy ở 110oC tới khối lượng không đổi, sau đó cắt và sàng lấy kích thước hạt 1,0 đến 1,5 mm Diện tích bề mặt của vật liệu được xác định theo phương pháp BET là 0,376 m2/g Thành phần vật liệu gồm 42,4%C; 0,8% N; 5,8% N và phần còn lại là tro Khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu này theo lần lượt của Cu(II), Ni(II) là 10,12; 10,67 mg/g sinh khối khô

Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng vật liệu sinh học để

xử lý kim loại Các nhà nghiên cứu đã có những cách tiếp cận khác nhau, sử dụng sinh khối chết của một sô loài vi tảo, rong biển, vỏ cây, vỏ trấu, lá tre để xử lý kim loại nặng và đã có những thành công nhất định

Phạm Lê Nguyên (2018) đã sử dụng vỏ đỗ xanh được thu gom từ quá trình chế biến giá đỗ để chế tạo vật liệu có khả năng xử lý Ni(II) đạt dung lượng 57,8 mg/g Than sinh học được chế tạo từ chất thải cà phê ở Đắc Lắc do Công ty TNHH Viết

18

Hiền sản xuất bằng cách nhiệt phân trong điều kiện không có oxy ở nhiệt độ 850 

950oC, được nghiền, sàng đến kích thước 0,6 mm < d < 1 mm đem sấy khô đến khối lượng không đổi, cũng được sử dụng để loại bỏ Ni(II) trong nước đạt dung lượng 8,61 mg/g [11]

Trần Lệ Minh (2012) đã nghiên cứu sử dụng hai loại vật liệu hấp phụ sinh học được chế tạo từ cây cỏ lác (F1M) và cây dương xỉ (P1M) Hai loại vật liệu này đã được

sử dụng để xử lý một số kim loại nặng trong nước Với nồng độ Ni(II) ban đầu 50 mg/L, dung lượng hấp phụ Ni(II) của F1M và P1M tương ứng là 13,5 và 20,1 mg/g [9]

Nhóm nghiên cứu của Lê Thành Hưng và cộng sự (2008) sử dụng xơ dừa và vỏ trấu là hai sản phẩm phụ từ nông nghiệp ở đồng bằng sông Cửu Long để xử lý nước chứa kim loại nặng Axit xitric đã được sử dụng để biến tính và tăng hiệu quả của hai vật liệu này lên 30% Xơ dừa sau khi hoạt hóa có khả năng xử lý Ni(II) đạt hiệu suất 83,24% tương ứng với dung lượng 25,81 mg/g khi nồng độ ion trong dung dịch ban đầu là 50 mg/L [6]

Đặng Đình Kim và cộng sự (1999, 2002) đã nghiên cứu sử dụng các chất hấp phụ sinh học có bản chất là tảo và một số phế liệu của ngành chế biến thủy sản để xử

lý Cr, Ni và Pb trong nước thải phân xưởng mạ điện của công ty dụng cụ cơ khí xuất khẩu Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ Cr, Ni khá cao (16÷20 mgnCr/g, 16÷42 mg Ni/g) [7]

Nguyễn Văn Nội và cộng sự (2009) đã sử dụng rau câu lấy từ vùng biển Hải Hậu – Nam Định và biến tính với hỗn hợp glutaraldehyt và axit clohydric để chế tạo vật liệu hấp phụ GA Các số liệu kết quả thực nghiệm thu được cho thấy quá trình hấp phụ Ni(II) bởi GA tuân theo mô hình Langmuir và khả năng hấp phụ cực đại đối với Ni(II) là 0,14 mmol/g Vật liệu đã hấp phụ có thể được giải hấp phụ bằng dung dịch

H2SO4 0,1M nên có thể tái sử dụng vật liệu và thu hồi kim loại [12]

Kết quả của các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy những phế phẩm nông nghiệp như lá cây, thân cây, vỏ, hạt, củ, quả…, không có giá trị kinh tế, rất

19

đa dạng và phong phú có thể sử dụng như những vật liệu giá thành thấp, thân thiện với môi trường để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải là một hướng nghiên cứu mang tính chất lý thuyết và thực tiễn cao

1.3.5 Tiềm năng sử dụng chất thải của quá trình sản xuất cà phê làm vật liệu sinh

sẽ đạt mức 174,5 triệu bao (1 bao tương đương 60 kg) [1]

USDA dự báo sản lượng cà phê của Việt Nam trong niên vụ 2018/2019 sẽ tăng thêm 1,1 triệu bao, đạt mức cao kỷ lục 30,4 triệu bao nhờ tình hình thời tiết thuận lợi Mức tiêu thụ cà phê trên thị trường nội địa của Việt Nam được dự báo sẽ đạt 2,9 triệu bao, không đổi so với niên vụ 2017/2018 [1] Cà phê ở Việt Nam được thu hoạch trong khoảng tháng 10 đến hết tháng 1 dương lịch, thời gian thu hoạch nhiều nhất là trong tháng 11 Sau khi thu hoạch, quả cà phê được phơi khô ngoài nắng trong khoảng 1÷4 tuần tùy thuộc điều kiện thời tiết và độ ẩm của trái cà phê Đến khi độ ẩm đạt ~ 11% thì dùng máy xay xát để tách phần vỏ lấy phần nhân, phần vỏ còn gọi là trấu có thể tận dụng làm vật liệu sinh học

Việt Nam là một nước có tỷ trọng ngành nông nghiệp chiếm phần lớn trong cơ cấu nền kinh tế trong đó ngành chế biến và xuất khẩu cà phê là một ngành phát triển ở nước ta Năm 2018, xuất khẩu cà phê của Việt Nam đạt 1,882 triệu tấn, trị giá 3,544 tỷ USD, tăng 20,1% về lượng và tăng 1,2% về trị giá so với năm 2017 Tuy nhiên, quá trình sản xuất cà phê cũng gây tác động đến môi trường do thải bỏ lượng lớn chất thải Chất thải rắn thải ra ước tính 400kg/tấn sản phẩm thô từ quá trình bóc vỏ theo phương

20

pháp chế biến khô Nhu cầu xử lý chất thải rắn từ quá trình sản xuất cà phê là rất lớn

Do đó, có thể tận dụng nguồn chất thải từ quá trình tách hạt cà phê bởi phương pháp chế biến khô để chế tạo vật liệu sinh học

Vật liệu biochar, sau khi nghiên cứu thử nghiệm ở dải nhiệt độ 250÷500oC, được chế tạo bằng cách nhiệt phân chất thải cà phê tại 500°C trong điều kiện yếm khí với thời gian 60 phút Sản phẩm sau nhiệt phân được rửa bằng nước và lọc để loại bỏ muội than Cuối cùng, vật liệu được sấy khô tại 100°C đến khối lượng không đối (ký hiệu là B-CFH), cũng được bảo quản tương tự như vật liệu CFH

2.2 Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm

2.2.1 Hóa chất và thiết bị

Các loại hóa chất đuợc sử dụng trong quá trình thực nghiệm gồm:

- Nuớc cất hai lần đuợc sử dụng dể pha hóa chất, nuớc cất một lần đuợc sử dụng trong quá trình tráng rửa dụng cụ;

- Dung dịch gốc Ni(NO3)2 1000 mg/L đuợc pha từ tinh thể muối Ni(NO3)2.6H2O (tinh khiết phân tích);

- Dung dịch làm việc đuợc pha loãng tới nồng độ 50 mg/L từ dung dịch gốc;

- Dung dịch chuẩn Ni(II) 100 mg/L, dung dịch hỗn hợp kim loại Ni, Fe, As, Pb,

Mn, Cd 100 mg/L, của hãng Merck, có giấy chứng nhận và còn thời hạn sử dụng, được sử dụng pha dung dịch chuẩn Ni(II) có nồng độ khác nhau để dựng đường chuẩn;

- Dung dịch HNO3, NaOH với các nồng độ khác nhau đuợc sử dụng để điều chỉnh

pH của dung dịch thực nghiệm và phân tích mẫu;

23

- Dung dịch HNO3 0,1N, HCl 0,1N và CH3COOH 5N đuợc sử dụng là tác nhân giải hấp phụ

Các thiết bị chính được sử dụng trong quá trình thực nghiệm gồm:

- Hệ thống sàng phân loại kích thước vật liệu hãng Retsch (Đức);

- Thiết bị lắc ổn nhiệt Jeio Tech BS-31;

- Máy đo pH Accumet Research AR10, hãng Fisher Scientific;

- Cân phân tích GR-200, hãng A&D (Nhật Bản);

- Tủ sấy, bình hút ẩm;

- Hệ thống thiết bị quang phổ phát xạ ICP-MS, model 7700 Agilent technology;

- Hệ thống thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử, AAS 800, Perkin Elmer

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm được tiến hành theo mẻ gián đoạn với nồng độ Ni(II) ban đầu khoảng 50 mg/L, kích thước vật liệu trong khoảng 0,6 < d< 1 mm Tỷ lệ R/L là 5 g/L khi xác định ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc và của pH, tỷ lệ R/L trong dải 1 đến 15 g/L khi xác định ảnh hưởng của tỷ lệ R/L đến hiệu suất xử lý Thực nghiệm được thực hiện độc lập đối với hai loại vật liệu hấp phụ CFH và B-CFH Bình đựng hỗn hợp dung dịch và vật liệu được đặt trong hệ thống lắc ổn nhiệt ở 250C, với tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút Sau quá trình tiếp xúc, hai pha được tách bằng giấy lọc băng xanh Dung dịch sau xử lý được đo pH và được xác định nồng độ Ni(II) còn lại

Mẫu trắng (không chứa vật liệu hấp phụ) được tiến hành song song với mẫu thực nghiệm để kiểm tra và đảm bảo không có sự mất mát kim loại trên dụng cụ thí nghiệm Mẫu đối chứng (thay dung dịch kim loại bằng nước cất hai lần) cũng đã được tiến hành Mẫu lặp cũng như mẫu chuẩn được sử dụng để đánh giá sai số

Quy trình thực nghiệm theo mẻ được thể hiện trên sơ đồ hình 2.2 Kết quả được

biểu diễn thông qua khả năng xử lý của vật liệu và hiệu suất xử lý (E) của vật liệu đối

với Ni(II), được đánh giá như sau [9]:

qe= (Co - Ce)/X (2.1)

24

E (%) = [(Co - Ce)/Co] x 100 (2.2) trong đó:

qe lượng ion kim loại được hấp phụ trên vật liệu, mg/g

Co nồng độ ion kim loại trong dung dịch ban đầu, mg/L

Ce nồng độ ion kim loại ở trạng thái cân bằng, mg/L

X khối lượng của vật liệu hấp phụ trên một đơn vị thể tích dung dịch, g/L

Lọc

Máy lắc ổn nhiệt 25°C,tốc độ 100 vòng/phút

Dung dịch sau lọc

Dung dịch chứa kim loại Ni(II)

Đo, điều chỉnh pH (nếu cần)

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thực nghiệm theo mẻ

2.2.3 Quy trình thực nghiệm

a) Xác định ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý

Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất xử lý được thực hiện với dung dịch Ni(II) có pH ban đầu 5,5 xác định trong thí nghiệm khảo sát sơ bộ và tiến hành tiếp xúc trong các khoảng thời gian khác nhau 5÷360 phút với các điều kiện khác không thay đổi (nhiệt độ 25°C, tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút)

25

Sau đó hai pha được tách ra bằng cách lọc và nồng độ Ni(II) trong pha lỏng sau khi xử

lý được đem đi phân tích

Từ các số liệu thực nghiệm, xây dựng đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian tiếp xúc và hiệu suất xử lý Ni(II) Trên cơ sở đó, xác định được khoảng thời gian tiếp xúc để quá trình đạt cân bằng cho các thực nghiệm tiếp theo

b) Xác định ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý

Sử dụng bình tam giác cổ nhám dung tích 100 mL chứa 0,1 g vật liệu và 20 mL dung dịch Ni(II) nồng độ khoảng 50 mg/L với các pH ban đầu của dung dịch thay đổi

từ 1,8 đến 8,4 pH ban đầu được điều chỉnh bởi dung dịch NaOH và HNO3 Dung dịch

và vật liệu hấp phụ được tiếp xúc ở nhiệt độ 25◦C với tốc độ khuấy trộn 100 vòng/phút trong khoảng thời gian thích hợp được lựa chọn từ kết quả của thực nghiệm 2.4.1 Sau

đó, hai pha được tách bằng cách lọc qua giấy lọc băng xanh Nồng độ Ni(II) và pH của dung dịch trước và sau xử lý được phân tích và đo

Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, thiết lập đường cong biểu diễn ảnh hưởng của

pH đến hiệu suất xử lý, khoảng giá trị pH của dung dịch mà tại đó hiệu suất xử lý Ni(II) đạt cao nhất được lựa chọn để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo

c) Xác định ảnh hưởng của tỷ lệ rắn – lỏng

Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng vật liệu và thể tích dung dịch (tỷ lệ R/L) đến hiệu suất xử lý Ni(II) được tiến hành với điều kiện sau:

- Tỷ lệ giữa hai pha rắn – lỏng được bố trí thay đổi trong khoảng từ 1 đến 15 g/L;

- pH ban đầu được lựa chọn từ kết quả của thực nghiệm mục 2.4.2;

- Thời gian tiếp xúc được lựa chọn từ kết quả thực nghiệm mục 2.4.1

Sau khoảng thời gian quá trình đạt cân bằng, pha lỏng được tách và phân tích nồng độ của Ni(II) còn lại trong dung dịch

Từ các số liệu thực nghiệm, có thể xây dựng đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ rắn – lỏng và hiệu suất xử lý Ni(II) ứng với mỗi loại vật liệu Các số liệu thực

26

nghiệm được biểu diễn theo đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich, khả năng hấp phụ tối

đa kim loại của vật liệu hấp phụ ở điều kiện nhiệt độ không đổi cũng được xác định

d) Xác định khả năng giải hấp phụ, tái sử dụng vật liệu

Sau khi thực nghiệm hấp phụ ở các điều kiện tối ưu (thời gian tiếp xúc, pH đầu vào và tỷ lệ R/L) vật liệu được tách bằng giấy lọc, thu gom, rửa bằng nước cất hai lần đến khi không còn xuất hiện vết kim loại trong nước rửa và đem sấy khô ở 100oC tới khối lượng không đổi, để nguội trong bình hút ẩm Vật liệu đã hấp phụ Ni(II) sẽ được thực hiện quá trình giải hấp phụ

Quá trình giải hấp phụ được tiến hành bằng cách cho vật liệu tiếp xúc với tác nhân giải hấp phụ là dung dịch axit HNO3 0,1N và HCl 0,1N ở điều kiện tỷ lệ pha rắn - pha lỏng là 10 g/L, khuấy trộn ở 185 vòng/phút, trong khoảng thời gian 60 phút Sau

đó pha lỏng được tách ra và đem phân tích nồng độ Ni(II) Vật liệu đã giải hấp phụ được thu gom và rửa bằng nước cất cho đến khi có pH tương ứng với pH tối ưu của dung dịch kim loại Tiếp theo, vật liệu được sấy ở 100oC đến khối lượng không đổi và được tiếp tục chu kỳ hấp phụ tiếp theo

Hiệu suất giải hấp phụ Ni(II) được tính theo công thức:

E G = [C r V r /(C o -C f )V ad ]100 (2.3)

trong đó:

EG: hiệu suất giải hấp phụ, %

Co : nồng độ ion Ni(II) trong dung dịch ban đầu, mg/L

Cf: nồng độ ion Ni(II) trong dung dịch sau khi hấp phụ, mg/L

Cr : nồng độ ion Ni(II) trong dung dịch sau khi giải hấp phụ, mg/L

Vad: thể tích dung dịch hấp phụ, mL

Vr: thể tích dung dịch giải hấp phụ, mL

27

2.3 Phương pháp đo và phân tích

- Xác định nồng độ Ni(II) trong dung dịch: Nồng độ Ni(II) trong dung dịch trước và sau thực nghiệm được xác định theo phương pháp quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ Quá trình thực hiện trên hệ thống ICP-MS, model

7700 Agilent technology, theo US EPA Method 200.8 Nguồn năng lượng để hóa hơi, kích thích khối phổ của nguyên tố cần phân tích là nguồn cảm ứng cao tần ICP (Inductivity Coupled Plasma) tạo ra các ion dương 1 của kim loại cần phân

tích (Me+1), có số khối m/Z, có bản chất hạt (khối lượng); thu, chọn và lọc lấy các ion M+1 số khối m/Z của các chất cần phân tích để dẫn dòng các ion này vào bộ

phân giải phổ khối; phân giải theo từng số khối m/Z để tạo ra phổ khối của tất cả các chất cần phân tích có trong mẫu Mỗi số khối m/Z sẽ cho một pic phổ khối tương ứng Bộ phận thu và ghi tín hiệu của mỗi số khối một cách thích hợp, định tính và định lượng các chất theo phổ khối với số m/Z đặc trưng [8]

- Xác định pH: pH ban đầu và cân bằng của dung dịch được xác định bằng máy đo

pH Fisher Scientific AR10;

- Xác định đặc tính, cấu trúc bề mặt của vật liệu: Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM);

- Xác định thành phần nhóm chức chủ yếu của vật liệu: Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR;

- Xác định diện tích bề mặt vật liệu: Phương pháp BET

2.4 Xử lý thống kê và biểu diễn các số liệu thực nghiệm

Sai số ngẫu nhiên rất phức tạp và có thể giảm đến mức tối thiểu bằng cách phân tích cẩn thận nhiều lần và xử lý thống kê toán học các số liệu thu được Trong nghiên cứu, sai số ngẫu nhiên được giảm thiểu bằng cách tiến hành thí nghiệm lặp và lấy kết quả trung bình để đảm bảo độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm

28

Các số liệu thực nghiệm trong nghiên cứu được biểu diễn bằng phương pháp đồ họa sử dụng phần mềm KaleidaGraph version 4 và các thanh sai số được bỏ đi vì sai số của các điểm thực nghiệm được báo cáo đều nhỏ (< 5%) hoặc rất nhỏ và không làm ảnh hưởng đến khuynh hướng của các đồ thị đã biểu diễn

Hình ảnh bề mặt vật liệu CFH và B-CFH trước và sau khi xử lý Ni(II) được chụp trên kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electronic Microscope) tại phòng thí nghiệm BKEMMA - AIST - HUST (Viện tiên tiến khoa học và công nghệ - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) với độ phóng đại 5000 và 2000 lần được thể hiện trên hình 3.1 và 3.2 cho thấy bề mặt vật liệu có nhiều nếp gấp, gồ ghề và không đồng nhất Sau quá trình xử lý, bề mặt vật liệu có ít các lỗ xốp hơn so với vật liệu trước xử lý Sự thay đổi này có thể được giải thích theo cơ chế của quá trình trao đổi ion với các nhóm chức trên vật liệu hoặc hấp phụ vật lý

Hình 3.1 Ảnh SEM của CFH trước (a) và sau xử lý (b) Ni(II) ở độ phóng đại 5000 lần

30

Hình 3.2 Ảnh SEM của B-CFH trước (a) và sau xử lý (b) Ni(II) ở độ phóng đại 2000 lần

Để định tính và xác định những nhóm chức chủ yếu có thể tham gia vào quá trình xử lý Ni(II), phổ hồng ngoại FTIR của 2 loại vật liệu CFH và B-CFH được đo theo phương pháp ép KBr tại Bộ môn hoa học vô cơ - Khoa Hóa - Trường đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội được thể hiện trên hình 3.3 và 3.4

Phổ hồng ngoại của vật liệu CFH và B-CFH trong khoảng số sóng 400÷4000

cm-1 cho thấy vật liệu có các nhóm chức hydroxyl, cacboxyl và amin Dải phổ rộng tại

số sóng 3618,4 và 3739,9 cm-1 của vật liệu B-CFH và trong khoảng 3247,7÷3579,6 cm

-1 của vật liệu CFH do nhóm OH bị kéo căng và nhóm OH có mặt trong xenluloza, lignin, nước; hoặc cũng có thể ứng với dao động hóa trị N-H ở amin (bậc 1 và bậc 2)

và nhóm cacbonhydrat trong các hợp chất cao phân tử [33] Peak tại khoảng 1407 cm-1

của CFH và 1573,9 cm-1 của B-CFH biểu hiện liên kết C=C kéo căng của vòng thơm

và liên kết C=O Peak tại 1162 và 1047 cm-1 cho thấy sự biến dạng của liên kết C-H và C-O, các peak tại 696 và 505 cm-1 cho thấy dạng của liên kết C-H và O-H uốn cong [43] Dải phổ tại 867 cm-1 của vật liệu B-CFH có thể do nhóm C-O của -OCH3 trong cấu trúc vật liệu