Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống lá chuối và thử nghiệm xử lí môi trường

2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TR ƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ------ MAI THỊ PHƯƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CUỐNG LÁ CHUỐI

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

MAI THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CUỐNG LÁ CHUỐI

VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

MAI THỊ PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ CUỐNG LÁ CHUỐI

VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG

CHUYÊN NGÀNH : HOÁ PHÂN TÍCH

MÃ SỐ: 60.44.29

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ HỮU THIỀNG

3

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hữu Thiềng, người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đại học trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Hóa học, các cán

bộ làm việc tại phòng Nghiên cứu khoa học, phòng thí nghiệm Hóa lí

điều kiện cho em thực hiện đề tài

người thân trong gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Thái Nguyên, tháng 08 năm 2011

Tác giả luận văn

Mai Thị Phương Thảo

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: đề tài “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim

loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống lá chuối và thử nghiệm xử lí môi trường ” là do bản thân tôi thực hiện Các số liệu, kết quả

trong đề tài là trung thực Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm

Thái nguyên, tháng 08 năm 2011

Tác giả luận văn

5

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa ………

Lời cam đoan ……… i

Mục lục ……… ii

Danh mục các chữ viết tắt ……… iv

Danh mục các bảng ……… v

Danh mục các hình ……… vii

MỞ ĐẦU ……… 1

Chương 1 TỔNG QUAN……… 3

1.1 Giới thiệu về đối tượng xử lý ……… 3

1.1.1 Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ……… 3

1.1.2 Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con người ……… 4

1.1.3 Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nước thải chứa ion kim loại nặng……… 6

1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ……… 6

1.2.1 Các khái niệm……… 6

1.2.2 Động học hấp phụ ……… 9

1.2.3 Một số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ cơ bản……… 10

1.2.4 Hấp phụ trong môi trường nước ……… 12

1.2.5 Quá trình hấp phụ động trên cột ……… 14

1.3 Giới thiệu về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)……… 16

1.3.1 Nguyên tắc ……… 16

1.3.2 Phương pháp đường chuẩn……… 16

1.4 Giới thiệu về cuống lá chuối ……… 17

1.4.1 Năng suất và sản lượng chuối ……… 17

1.4.2 Thành phần chính của xơ cuống lá chuối……… 18

1.5 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP ……… 19

Chương 2 THỰC NGHIỆM ……… 22

2.1 Thiết bị và hóa chất ……… 22

2.1.1 Thiết bị ……… 22

2.1.2 Hoá chất ……… 22

2.2 Chế tạo VLHP từ cuống lá chuối……… 22

2.2.1 Quy trình chế tạo VLHP từ cuống lá chuối ……… 22

2.2.2 Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và VLHP ……… 23

6

2.3 Phương pháp thực nghiệm ……… 25

2.3.1 Phương pháp hấp phụ tĩnh ……… 25

2.3.2 Phương pháp hấp phụ động ……… 25

2.4 Các thí nghiệm nghiên cứu ……… 26

2.4.1 Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)……… 26

2.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của NL và VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 28

2.4.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phương pháp hấp phụ tĩnh 28

2.4.4 Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột……… 30

2.4.5 Xử lý thử mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 31

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……… 32

3.1 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của NL và VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 32

3.2 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP bằng phương pháp hấp phụ tĩnh …… 33

3.2.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng VLHP ……… 33

3.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc ……… 34

3.2.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH ……… 36

3.2.4 Kết quả khảo sát cơ chế hấp phụ của VLHP

đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 38

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của một số ion đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 40

3.2.6 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir… 43

3.2.7 Động học hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP 45

3.3 Kết quả khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột … 50 3.3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng ……… 50

3.3.2 Kết quả giải hấp thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 52

3.4 Tái sử dụng VLHP……… 56

3.5 Kết quả xử lí thử mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …… 59

KẾT LUẬN ……… 62

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN TÀI LIỆU THAM KHẢO ………

FAO Tổ chức lương thực thế giới

F-AAS Phổ hấp phụ nguyên tử ngọn lửa

IARC Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế

JECFA Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm

PA Tinh khiết phân tích

SEM Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

VLHP Vật liệu hấp phụ

WHO Tổ chức y tế thế giới

8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm

trong nước thải công nghiệp……… ……… 6 Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối

và phương pháp hạn chế chúng……… 15 Bảng 1.3: Diễn biến sản xuất chuối ở Việt Nam……… 18 Bảng 1.4: Thành phần chính của xơ cuống lá chuối ……… 18 Bảng 2.1: Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa

của các nguyên tố Cu, Ni, Cr ……… 26 Bảng 2.2: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cu(II) ………… 27 Bảng 2.3: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Ni(II) ………… 27 Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cr(VI) ………… 27 Bảng 3.1: Các thông số hấp phụ của NL, VLHP

đối với Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 32 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến sự hấp phụ Cu(II),

Ni(II), Cr(VI) ……… 33 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến sự hấp phụ

Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… 34 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …… 36 Bảng 3.5: pH và độ dẫn điện riêng của dung dịch Cu(II)

trước và sau khi hấp phụ ……… 38 Bảng 3.6: pH và độ dẫn điện riêng của dung dịch Ni(II)

trước và sau khi hấp phụ ……… 38 Bảng 3.7: pH và độ dẫn điện riêng của dung dịch Cr(IV)

trước và sau khi hấp phụ ……… 38 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của Na+

, Ca2+ tới sự hấp phụ Cu(II), Ni(II) ……… 40 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của NO3- , SO42- tới sự hấp phụ Cr(VI) ……… 41 Bảng 3.10: Các thông số hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP …… 43 Bảng 3.11: Dung lượng cực đại và hằng số Langmuir ……… 45 Bảng 3.12: Các thông số hấp phụ của Cu(II) ……… 45 Bảng 3.13: Các thông số hấp phụ của Ni(II) ……… 46

khác nhau……… 52 Bảng 3.19: Hiệu suất giải hấp Cu(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit

HCl khác nhau……… 53 Bảng 3.20: Kết quả giải hấp Ni(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl

khác nhau……… 53 Bảng 3.21: Hiệu suất giải hấp Ni(II) trên VLHP ứng với nồng độ axit

HCl khác nhau……… 53 Bảng 3.22: Kết quả giải hấp Cr(VI) trên VLHP ứng với nồng độ axit HCl

khác nhau……… 54 Bảng 3.23: Hiệu suất giải hấp Cr(VI) trên VLHP ứng với nồng độ axit

HCl khác nhau……… 54 Bảng 3.24: Khả năng hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI)

của VLHP mới và VLHP tái sinh ……… 56 Bảng 3.25: Hiệu suất hấp phụ Cu(II), Ni(II) và Cr(VI) ứng với

VLHP mới, VLHP tái sinh lần 1 và VLHP tái sinh lần 2 …… 57 Bảng 3.26: Kết quả tách loại Cu(II), Ni(II), Cr(VI) khỏi nước thải

theo phương pháp hấp phụ tĩnh ……… 59 Bảng 3.27: Kết quả tách loại Cu(II), Ni(II), Cr(VI) khỏi nước thải

theo phương pháp hấp phụ động ……… 60

10

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Mô hình cột hấp phụ ……… 14

Hình 1.2: Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ tại điểm cuối của cột hấp phụ theo thời gian ……… 16

Hình 2.1: Phản ứng este hóa xenlulozơ bằng axit xitric ……… 23

Hình 2.2: Phổ IR của NL … ……… 24

Hình 2.3: Phổ IR của VLHP ……… 24

Hình 2.4: Ảnh chụp SEM của NL ……… 25

Hình 2.5: Ảnh chụp SEM của VLHP ……… 25

Hình 2.6: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Cu(II) ……… 27

Hình 2.7: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) ……… 27

Hình 2.8: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) ……… 27

Hình 3.1: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến sự hấp phụ Cu(II),

Ni(II), Cr(VI)… ……… 33

Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tới sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) ……… ………… 35

Hình 3.3: Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ Cu(II), Ni(II), Cr(VI) …… 36

Hình 3.4: Ảnh hưởng của Na+ , Ca2+ tới sự hấp phụ Cu(II) ……… 40

Hình 3.5: Ảnh hưởng của Na+, Ca2+ tới sự hấp phụ Ni(II)…… … 41

Hình 3.6: Ảnh hưởng của NO3 -, SO4 tới sự hấp phụ Cr(VI) ………… 42

Hình 3.7: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cu(II) 44

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cu(II) ……… 44

Hình 3.9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II) 44

Hình 3.10: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni(II) ……… 44

11

Hình 3.11: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Cr(VI) 44

Hình 3.12: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cr(VI) ……… 44

Hình 3.13: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b)

đối với Cu(II) ……… 46

Hình 3.14: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b)

đối với Ni(II) ……… 47

Hình 3.15: Đồ thị phương trình động học bậc 1 (a) và bậc 2 (b)

đối với Cr(VI) ……… 48

Hình 3.16: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Cu(II) … 51 Hình 3.17: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Ni(II) … 51

Hình 3.18: Ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) … 51

Hình 3.19: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Cu(II) trên VLHP ……… 55

Hình 3.20: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Ni(II) trên VLHP ……… 55

Hình 3.21: Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến sự giải hấp Cr(VI) trên VLHP ……… 55

Hình 3.22: Đường cong thoát của Cu(II) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ……… 57

Hình 3.23: Đường cong thoát của Ni(II) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ……… 58

Hình 3.24: Đường cong thoát của Cr(VI) ứng với VLHP mới và VLHP tái sinh ……… 58

Hình 3.25: Đường cong thoát của nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI) 61

13

vật liệu [17] Việt Nam là một nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào, phong phú Theo thống kê thì nước ta là một trong bốn nước

có diện tích cây ăn quả lớn nhất Đông Nam Á Trong đó, cây chuối có diện tích

và sản lượng lớn nhất, vì vậy lượng cuống lá chuối thải ra là rất lớn [20] Mặt khác, một số kết quả phân tích đã chỉ ra rằng thành phần chính của cuống lá chuối gồm có các polyme như xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin,…[27] Các polyme này chứa các nhóm như hydroxyl, cacbonyl, cacboxyl,…là những thành phần có khả năng hấp phụ, trao đổi ion [16], [22], [25] Xuất phát từ

thực tế đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ

một số kim loại nặng trong nước của vật liệu hấp phụ chế tạo từ cuống

lá chuối và thử nghiệm xử lí môi trường ”

Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau:

- Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP) từ cuống lá chuối

- Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của cuống lá chuối trước và sau khi biến tính bằng phổ hồng ngoại (IR) và ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

- Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ tĩnh Cụ thể là các yếu tố: Khối lượng VLHP, pH, thời gian đạt cân bằng hấp phụ, sự có mặt của một số ion, nồng độ đầu

- Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi Cu(II), Ni(II), Cr(VI) của VLHP chế tạo được theo phương pháp hấp phụ động trên cột

- Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP

- Sử dụng VLHP chế tạo được thử xử lý mẫu nước thải chứa Cu(II), Ni(II), Cr(VI)

14

Chương 1 TỔNG QUAN

1.2 Giới thiệu về đối tượng xử lý

1.1.1 Tình trạng nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng, nó cần thiết cho sự tồn tại của mọi sinh vật Tuy nhiên, hiện nay, tài nguyên nước nói chung và nguồn nước sạch nói riêng đang ngày càng cạn kiệt bởi tác động của con người Trong những năm gần đây, tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa ở nước ta diễn

ra khá nhanh chóng nhưng vấn đề về môi trường lại chưa được quan tâm và đầu tư đúng mức Nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất, khai thác mỏ,…không có hệ thống xử lí rác thải hoặc có nhưng lạc hậu, xử lí kém hiệu quả Do đó lượng các chất thải độc hại, đặc biệt là các kim loại nặng vẫn đổ ra môi trường ngày càng tăng Khi thải ra môi trường, một số hợp chất kim loại nặng tích tụ lại trong đất, một số có thể bị hòa tan dưới tác động của nhiều yếu tố như độ chua của đất, nước mưa Điều này càng tạo điều kiện để các kim loại nặng phát tán vào môi trường nước nhanh và rộng Theo số liệu phân tích thống kê cho thấy, hàm lượng các kim loại nặng trong môi trường nước gần các khu công nghiệp hầu hết đều xấp xỉ hoặc vượt quá giới hạn cho phép [2], [4], [5] Ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh phần lớn nước thải sinh hoạt, thậm chí cả rác thải rắn từ các khu dân cư, các cơ sở y

tế, cơ quan, trường học,…không qua hệ thống xử lí mà xả trực tiếp ra kênh, mương, sông, hồ,… khiến cho nhiều con sông như sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sài Gòn,…đã trở thành những con sông chết [5]

Xét về tốc độ lan truyền và quy mô ảnh hưởng thì ô nhiễm nước là vấn đề đáng lo ngại hơn so với ô nhiễm đất Do đó, sự ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt

là nguồn nước ô nhiễm các kim loại nặng đã và đang là vấn đề được cả thế

15

giới quan tâm và tìm biện pháp khắc phục, giảm thiểu bởi ảnh hưởng độc hại lâu dài của nó tới hệ sinh thái và sức khỏe con người

1.1.2 Ảnh hưởng của nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng tới sức khỏe con người

Một số kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người Tuy nhiên, phần lớn các kim loại nặng có tác động tiêu cực tới sức khỏe con người và môi trường sinh thái Các kim loại nặng như Pb, As, Cd, Hg, Cu, Ni, Cr, Fe, thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của sinh vật mà tích lũy trong cơ thể chúng và theo chuỗi thức ăn thâm nhập vào cơ thể người Khi đó, các kim loại nặng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa của cơ thể, bởi chúng

có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhó m enzym, làm các enzym

bị mất hoạt tính , cản trở quá trình tổ ng hợp protein [3] Dưới đây là ảnh

hưởng cụ thể của một số kim loại nặng:

Tác dụng sinh hoá của đồng

Đồng là một nguyên tố có tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt nên nó là một trong những kim loại chủ yếu của kỹ thuật điện Đồng được sử dụng nhiều để sản xuất mô tơ điện, động cơ điện, máy thu thanh, vô tuyến truyền hình, các thiết

bị điện tử phức tạp,…Ngoài ra đồng còn là nguyên tố vi lượng cần thiết đối với động vật và thực vật Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra quả và có thể bị chết Ở cơ thể người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó làm các mô xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược,…Tuy nhiên, ở cơ thể người, thừa đồng cũng rất nguy hiểm vì nó là một trong những yếu tố gây các bệnh về gan, thận, nội tiết, thần kinh,…

16

Năm 1982, JECFA (Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm) đã đề nghị giá trị tạm thời cho lượng đồng đưa vào cơ thể người có thể chịu đựng được là 0,5 mg/kg thể trọng/ngày [2], [12], [15]

Tác dụng sinh hoá của niken

Niken được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, điện tử, luyện kim, mạ điện, sản xuất thuỷ tinh, gốm, sứ,… Niken được tìm thấy trong các chất sa lắng, trầm tích, trong thuỷ hải sản và một số thực vật

Với cơ thể người, khi bị nhiễm độc niken sẽ xuất hiện triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu, khi tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi , hệ thần kinh trung ương, gan, thận, tăng khả năng mắc ưng thư đường hô hấp,…Nếu

da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, dị ứng [4]

Tác dụng sinh hoá của crom

Crom là nguyên tố tương đối phổ biến trong tự nhiên Trong công nghiệp, crom chủ yếu được dùng để sản xuất các loại thép đặc biệt như thép không gỉ, thép chịu nhiệt,…Ngoài ra, vì có màu sắc đẹp nên crom và nhiều hợp chất của crom được dùng trong công nghiệp sản xuất thủy tinh, đồ gốm, dệt, hội họa, thuộc da,…

Crom còn là nguyên tố vi lượng cần thiết cho một số quá trình sinh học của cơ thể như: chuyển hoá glucozơ, vitamin,…Tuy nhiên, phần lớn các hợp chất của crom lại độc đối với con người, đặc biệt là Cr(VI) Các hợp chất Cr(VI) có thể gây viêm loét da, mụn cơm, viêm gan, viêm thận, thủng vách ngăn lá mía, ung thư phổi,…Theo IARC (Cơ quan nghiên cứu ung thư Quốc tế) đã xếp Cr(VI) vào nhóm 1- nhóm tác nhân chắc chắn gây ung thư ở người [2], [12], [15]

17

1.1.3 Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nước thải chứa ion kim loại nặng

TCVN 5945 : 2005 quy định nồng độ của ion kim loại trong nước thải

công nghiệp như sau:

Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ một số chất ô nhiễm

trong nước thải công nghiệp Nguyên tố Đơn vị A Giá trị giới hạn B C

Đồng mg/l 2,000 2,000 5,000 Niken mg/l 0,200 0,500 2,000 Crom (VI) mg/l 0,050 0,100 0,500 Trong đó:

Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm bằng hoặc nhỏ hơn giá trị trong cột A có thể đổ vào các vực nước thường được dùng làm nguồn nước cho mục đích sinh hoạt

Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm lớn hơn giá trị trong cột A nhưng nhỏ hơn hoặc bằng giá trị trong cột B thì được đổ vào các vực nước nhận thải khác, như: các vực nước dùng cho giao thông, thủy lợi, trồng trọt, nuôi trồng thủy hải sản,…trừ các thủy vực qui định ở cột A

Nước thải công nghiệp có giá trị nồng độ các chất ô nhiễm lớn hơn giá trị trong cột B nhưng không vượt quá giá trị trong cột C chỉ được phép thải vào các nơi được qui định (như hồ chứa nước thải được xây riêng, cống dẫn đến nhà máy xử lý nước thải tập trung,…) [13]

1.2 Giới thiệu về phương pháp hấp phụ

1.2.1 Các khái niệm

Sự hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí - rắn, rắn, khí-lỏng, lỏng-lỏng)

Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình toả nhiệt

Tuỳ 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 hoá học Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Vander Waals (bao gồm các loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), lực liên kết hiđro,…đây là những lực yếu, nên liên kết hình thành không bền, dễ bị phá vỡ Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao Hấp phụ hoá học gây ra bởi lực liên kết hoá học (lực liên kết ion, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết phối trí, ) gắn kết những phần tử chất bị hấp phụ với những phần tử của chất hấp phụ thành những hợp chất bề mặt, liên kết này bền , khó

bị phá vỡ Trong thực tế, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ là tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Một số trường hợp tồn tại cả quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Ở vùng nhiệt độ thấp xảy

ra quá trình hấp phụ vật lý , khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả năng hấp phụ hoá học tăng lên [6], [8]

Giải hấp phụ

Giải hấp phụ là quá trình chất bị hấp phụ ra khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ Giải hấp phụ dựa trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi đối với quá trình hấp phụ Giải hấp phụ là phư ơng pháp tái sinh vật liệu hấp phụ để có thể tiếp tục sử dụng lại nên nó mang đặc trưng về hiệu quả kinh tế

Một số phương pháp tái sinh vật liệu hấp phụ:

Phương pháp hóa lý: Có thể thực hiện tại chỗ, ngay trên cột hấp phụ nên tiết kiệm được thời gian, công thoát dỡ, vận chuyển, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn Phương pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa - khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ

Cân bằng hấp phụ

Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch Khi tốc độ hấp phụ (quá trình thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng [6], [8]

Dung lượng hấp phụ cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn

vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng ở điều kiện xác định v ề nồng độ và nhiệt độ [8]

Dung lượng hấp phụ cân bằng được tính theo công thức:

m

V C C

 (1.1) Trong đó:

q : Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)

V : Thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (l)

m : Khối lượng chất bị hấp phụ (g)

Co : Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)

Ccb : Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)

Hiệu suất hấp phụ

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

( ) 100 (%)

o

cb o

C

C C

 (1.2) Trong đó:

H: Hiệu suất của quá trình hấp phụ (%)

Co : Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)

Ccb : Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l)

20

1.2.2 Động học hấp phụ

1.2.2.1 Mô hình động học hấp phụ

Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, quá trình động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn chính sau:

- Khuếch tán của các chất bị hấp phụ từ pha lỏng tới bề mặt chất hấp phụ

- Khuếch tán bên trong hạt hấp phụ

- Giai đoạn hấp phụ thực sự : các phần tử bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định toàn bộ quá trình động học hấp phụ Với hệ hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định [1]

1.2.2.2 Phương trình động học

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất của Lagergren có dạng:

) (

t

q q k dt

dq



 (1.3) Dạng tích phân của phương trình trên là:

t

k q q

303 , 2 log ) log(    1 (1.4) Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

t q q k q

t

e e t

1

1

2 2



 (1.6) Trong đó:

qe, qt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t (mg/g)

k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (thời gian-1) và bậc hai (g.mg-1 thời gian-1

)biểu kiến [19], [29]

21

1.2.3 Một số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ cơ bản

Có thể mô tả quá trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định

Với chất hấp phụ là chất rắn , chất bị hấp phụ là chất lỏng thì đường đẳng nhiệt hấp phụ được mô tả qua các phương trình đẳng nhiệt : phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry , phương trình đẳng n hiệt hấp phụ Freundlich , phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir,…[6], [8]

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry là phương trình đẳng nhiệt đơn giản mô tả sự tương quan tuyến tính giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp suất) của chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng Đối với hệ lỏng - rắn, phương trình có dạng:

q = K.C (1.7)

Trong đó:

q : Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)

K: Hằng số hấp phụ Henry

C: Nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/l)

Phương trình này được áp dụng cho vùng nồng độ thấp [8]

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich được xây dựng trên cơ sở kinh nghiệm, có xét đến tính không đồng nhất của bề mặt chất bị hấp phụ và sự phân bố của các tâm hoạt động và năng lượng của chúng theo quy luật hàm số

mũ Đối với hệ lỏng - rắn, phương trình có dạng:

q : Dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)

Kf và n là các hằng số đặc trưng cho hệ hấp phụ (còn gọi là các hằng số Freundlich)

C: Nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/l)

Phương trình Freundlich thường áp dụng trong khoảng nồng độ trung bình của chất bị hấp phụ [8]

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được xây dựng trên các giả thuyết:

- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định

- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các trung tâm là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Đối với hệ lỏng - rắn, phương trình có dạng:

cb

cb C b

C b q q

1

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

qmax: Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

b: Hằng số Langmuir

Ccb: Nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/l)

Khi tích số b.Ccb << 1 thì q = qmax.b.Ccb: mô tả vùng hấp phụ tuyến tính Khi tích số b.Ccb >> 1 thì q = qmax : mô tả vùng hấp phụ bão hoà

C q q

C

cb cb

.

1 1

max max

1.2.4 Hấp phụ trong môi trường nước

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

có ít nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt trên chất hấp phụ không phân cực

và ngược lại Đối với các chất có độ phân cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO42-, PO43-, CrO42-… thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép Các ion hoặc các phân

24

tử có độ phân cực cao trong nước bị bao bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion, các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng 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 độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn

Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung 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 hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà tùy thuộc giá trị pH Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và dưới giá trị đó bề mặt hấp phụ tích điện dương Đối với các chất trao đổi ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất [1]

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

quản,… cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ [1], [8]

1.2.4.2 Đặc tính của ion kim loại trong môi trường nước

Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước

bị hiđrat hoá tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, tạo ra các phức chất hiđroxo, tạo ra các cặp ion hay phức chất khác Dạng phức hiđrxo được tạo ra nhờ phản ứng thuỷ phân Sự thuỷ phân của ion kim loại trong dung dịch có thể chịu ảnh hưởng rất lớn bởi pH của dung dịch Khi pH của dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi phân bố các dạng thuỷ phân, làm cho thay đổi bản chất, điện tích, kích thước ion kim loại có thể tạo phức, sự hấp phụ và tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ, điều này ảnh hưởng đến cả dung lượng và cơ chế hấp phụ [1]

25

1.2.5 Quá trình hấp phụ động trên cột

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

Vùng 3 (Vùng lối ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hấp phụ chưa xảy ra, nồng độ chất bị hấp phụ bằng không

Khi thời gian thực hiện quá trình hấp phụ tăng lên thì vùng hấp phụ dịch chuyển theo chiều dài của cột hấp phụ Chất hấp phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi vùng chuyển khối chạm tới đáy cột Để nồng độ của chất bị hấp phụ ở lối ra không vượt quá giới hạn cho phép ta cần dừng quá trình hấp phụ tại thời điểm này Tiếp theo cột hấp phụ được giải hấp để tiếp tục thực hiện quá trình hấp phụ Chiều dài vùng chuyển khối là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu sự hấp phụ động trên cột Khi tỉ lệ giữa chiều dài cột hấp phụ với chiều dài vùng

1 1.Vùng hấp phụ bão hoà

2 2.Vùng chuyển khối

3 3.Vùng chưa xảy ra sự hấp phụ Lối vào

Lối ra

Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối và phương pháp hạn chế chúng được trình bày ở bảng 1.2

Bảng 1.2: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối

và phương pháp hạn chế chúng Yếu tố ảnh hưởng Phương pháp hạn chế

Sự giới hạn về diện

tích bề mặt của chất

- Điều khiển dòng cố định ở lối vào và ra cột

Tại điểm cuối của cột hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ xuất hiện và tăng dần theo thời gian Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ chất bị hấp phụ tại điểm cuối của cột hấp phụ theo thời gian được gọi là đường cong thoát và có dạng như hình 1.2 [1]

27

Hình 1.2: Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ

tại điểm cuối của cột hấp phụ theo thời gian 1.3 Giới thiệu về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

1.3.1 Nguyên tắc

Nguyên tắc chung của phương pháp là: chuyển cấu tử cần phân tích thành trạng thái hơi nguyên tử Sau đó chiếu một chùm sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử đó thì các nguyên tử tự do đó sẽ hấp thụ các tia bức xạ

mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ Khi đó phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử Dựa vào phổ hấp thụ nguyên tử xác định nồng độ của các nguyên tố trong mẫu phân tích

1.3.2 Phương pháp đường chuẩn

Để xác định nồng độ của nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có thể tiến hành theo phương pháp đường chuẩn hoặc phương pháp thêm tiêu chuẩn Thực hiện đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp đường chuẩn

Cơ sở của phương pháp:

Dựa trên sự phụ thuộc của độ hấp thụ nguyên tử (mật độ quang) vào vùng nồng độ nhỏ của cấu tử cần xác định trong mẫu theo phương trình:

Aλ = a.Cb (1.11)

t

C

Co

O

t

C: Nồng độ nguyên tố trong mẫu phân tích (mg/l)

b : Hằng số bản chất, phụ thuộc vào từng vạch phổ của từng nguyên tố (0< b ≤1)

Ở vùng nồng độ nhỏ b = 1, Aλ phụ thuộc tuyến tính C

Ở vùng nồng độ lớn 0< b <1, Aλ không phụ thuộc tuyến tính C

Kỹ thuật thực nghiệm:

- Pha chế một dãy dung dịch chuẩn có hàm lượng chất phân tích tăng dần trong cùng điều kiện về lượng thuốc thử, độ axit,…

- Đo mật độ quang của các nguyên tố cần nghiên cứu trong dãy dung dịch chuẩn

- Xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ các nguyên tố cần nghiên cứu Đồ thị này được gọi là đường chuẩn

- Pha chế các dung dịch phân tích với điều kiện như dung dịch chuẩn và đem đo mật độ quang Dựa vào các giá trị mật độ quang này và đường chuẩn tìm được nồng độ nguyên tố cần phân tích trong mẫu phân tích [11]

1.4 Gi ới thiệu về cuống lá chuối

1.4.1 Năng suất và sản lượng chuối

Chuối là loại cây ăn quả ngắn ngày, có giá trị kinh tế cao và có nhiều

công dụng như: Hoa, quả chuối dùng để ăn; hoa, quả, củ, nhựa chuối có thể dùng làm thuốc; thân chuối dùng để chăn nuôi gia súc, gia cầm; xơ thân cây, xơ cuống lá chuối dùng để dệt thảm, chiếu; lá chuối để bảo quản thực phẩm,…Hiện nay, trên thế giới, chuối là loại cây ăn quả có sản lượng lớn

29

thứ hai sau chi cam chanh, còn ở Việt Nam, chuối là loại cây ăn quả có sản lượng và diện tích trồng lớn nhất [20]

Các số liệu về diện tích, năng suất và sản lượng chuối được cập nhật trong

những năm từ 2002 đến 2009 được thể hiện ở bảng 1.3 [20]

Bảng 1.3: Diễn biến sản xuất chuối ở Việt Nam Năm Diện tích (ha) Năng suất (tấn/ha) Sản lƣợng (tấn)

(Nguồn: Số liệu thống kê FAOSTAT Datase Results 2009)

1.4.2 Thành phần chính của xơ cuống lá chuối

Theo [27], thành phần chính của xơ cuống lá chuối được chỉ ra ở bảng 1.4:

Bảng 1.4: Thành phần chính của xơ cuống lá chuối Thành phần Phần trăm (%)

30

Đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các polyme như xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin, pectin…có khả năng tách các kim loại nặng trong nước là nhờ thành phần của chúng có các nhóm có khả năng hấp phụ, trao đổi ion như: hydroxyl, cacbonyl, cacboxyl,… [16], [22], [25] Reddad [32] cho rằng các vị trí anionic phenolic trong lignin có ái lực mạnh đối với các kim loại nặng Mykola [31] cũng chứng tỏ rằng các nhóm axit galacturonic trong pectin là những vị trí liên kết mạnh với các cation

Như vậy với thành phần chính là xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin thì cuống lá chuối có tiềm năng trở thành VLHP

1.5 Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP

Trên thế giới đã có nhiều kết quả nghiên cứu được công bố chỉ ra rằng các VLHP có nguồn gốc tự nhiên từ nông nghiệp như: vỏ dừa, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ khoai tây, bã mía, bã chè, lá chè, lõi ngô, lá ngô,…có cấu trúc nhiều lỗ xốp, thành phần của chúng có chứa các polyme dễ biến tính có khả năng hấp phụ, trao đổi ion cao và có thể tái tạo được [17], [19], [24], [28], [29] Bên cạnh đó, các nguồn phụ phẩm nông nghiệp thường dồi dào, dễ kiếm Do đó, việc nghiên cứu và sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp để làm VLHP nhằm tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước đang là hướng phát triển mới của ngành công nghệ vật liệu bởi nó có ưu điểm là giá thành rẻ, thân thiện với môi trường Dưới đây giới thiệu một số kết quả nghiên cứu việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP:

Vỏ lạc:

Vỏ lạc sau khi chế tạo thành than hoạt tính được đánh giá là VLHP tốt với cả kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ [35] Theo một loạt các báo cáo của Periasamy K và Namasivayam C (Ấn Độ) thì: Vỏ lạc có dung lương hấp phụ cực đại đối với Ni2+

là 53,65 mg/g tại pH = 4 ÷ 5 của hỗn hợp các ion Trong nghiên cứu cột, vỏ lạc loại bỏ được lượng Cu2+

tối đa là 65,57 mg/g tại pH = 6 ÷ 10

Vỏ đậu tương có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại Trong sự

so sánh với một số vật liệu tự nhiên khác, vỏ đậu tương thể hiện khả năng hấp phụ cao hơn, đặc biệt đối với các kim loại nặng Vỏ đậu tương sau khi được xử lý với NaOH và axit xitric thì dung lượng hấp phụ cực đại đối với Cu2+ đạt 108 mg/g [21]

Bã mía

Bã mía được hoạt hoá bằng các tác nhân như: anhyđrit succinic, axit xitric, fomanđehit có thể xử lí tốt nguồn nước ô nhiễm các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại [35]

25oC Than vỏ cọ có khả năng hấp phụ chì đến 95,2 mg/g tại pH = 5 [23], [35]

và Cd2+ lần lượt là 0,39 mmol/g và 0,62 mmol/g [18]

, Pb2+, Ni2+ tương đối tốt,…VLHP chế tạo

từ lõi ngô, rau câu đã được các tác giả [9], [10] nghiên cứu sử dụng để tách loại

và thu hồi các kim loại cadimi, crom, đồng, kẽm, niken Kết quả thu được cho thấy hiệu suất tách loại và thu hồi các kim loại này khá tốt,…

33

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Thiết bị và hóa chất

2.1.1 Thiết bị

Máy quang phổ hồng ngoại Mgegna – IR 760 Spectometer (Mỹ), máy đo

pH Precisa 900 (Thụy Sỹ), máy đo độ dẫn điện Orion (Mỹ), tủ sấy Jeiotech (Hàn Quốc), máy đo phổ hấp thụ nguyên tử Thermo (Anh), bình định mức ,

pipet, cốc thủy tinh

2.1.2 Hoá chất

Nước cất hai lần, natri hidroxit NaOH, axit xitric C6H8O7.H2O, axit nitric HNO3, axit clohidric HCl, kali đicromat K2Cr2O7, đồng sunphat CuSO4.5H2O, niken sunphat NiSO4.6H2O Tất cả hóa chất đều có độ tinh khiết PA và việc chuẩn bị các dung dịch có nồng độ xác định theo [7]

2.2 Chế tạo VLHP từ cuống lá chuối

2.2.1 Quy trình chế tạo VLHP từ cuống lá chuối

Cuống lá chuối được rửa sạch bằng nước máy, phơi khô, sau đó rửa lại bằng nước cất và sấy khô ở 60oC Cuống lá chuối khô được nghiền nhỏ bằng máy nghiền và rây thu được nguyên liệu (NL) Lấy 40g NL cho vào cốc chứa

1 lít dung dịch axit xitric 0,1M, ngâm trong 48 giờ rồi lọc lấy bã rắn đem sấy

ở 60o

C trong 5 giờ, tiếp theo sấy ở 105oC trong 8 giờ sau đó lọc rửa bã rắn bằng nước cất cho hết axit dư Cuối cùng, bã rắn này được sấy khô ở 60o

C thu được VLHP [26], [28], [33], [36], [37]

34

Phản ứng este hóa xenlulozơ trong NL bằng axit xitric diễn ra như sau: Ngâm NL trong axit xitric với thời gian 48 giờ, sau đó lọc, sấy ở 60oC, các phân tử axit xitric sẽ thấm sâu vào các mao quản của NL Tiếp theo nâng nhiệt độ lên 105o

C trong 8 giờ, axit xitric sẽ chuyển thành dạng anhydric, sau

đó sẽ xảy ra phản ứng este hóa giữa anhydric axit và các nhóm hydroxyl ở xenlulozơ của NL Tại các vị trí phản ứng như vậy xuất hiện hai nhóm chức axit có khả năng trao đổi ion Nếu tăng nhiệt độ hoặc kéo dài thời gian phản ứng, quá trình este có thể tiếp tục xảy ra với các nhóm axit còn lại làm giảm

số lượng nhóm chức axit trên VLHP [24] Theo [24], quá trình trên được biểu diễn bởi hình 2.1 dưới đây:

Hình 2.1: Phản ứng este hóa xenlulozơ bằng axit xitric

2.2.2 Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của NL và VLHP

NL được este hóa bằng axit xitric Kết quả của quá trình xử lý này được thể hiện trên phổ hồng ngoại (IR) có sự dịch chuyển của nhóm cacbonyl từ vùng số sóng 1626,59 cm-1

đến vùng số sóng 1638,70 cm-1 và sự dịch chuyển của nhóm hidroxyl từ vùng số sóng 3386,16 cm-1

đến vùng số sóng 3433,22 cm-1 (hình 2.2 và hình 2.3)

Quan sát ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) của NL và VLHP cho thấy VLHP có độ xốp lớn hơn rõ rệt so với NL (hình 2.4 và hình 2.5)

35

Hình 2.2 : Phổ IR của NL

Hình 2.3 : Phổ IR của VLHP

36

Hình 2.4 : Ảnh chụp SEM của NL Hình 2.5 : Ảnh chụp SEM của

VLHP 2.3 Phương pháp thực nghiệm

2.3.1 Phương pháp hấp phụ tĩnh

Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ:

- Thể tích của mỗi dung dịch là 25 ml với nồng độ và pH xác định (dùng dung dịch HNO3 và dung dịch NaOH loãng để điều chỉnh độ pH)

- Khối lượng VLHP là 0,20 g

- Hỗn hợp hấp phụ được lắc bằng máy lắc với tốc độ 150 vòng/phút

2.3.2 Phương pháp hấp phụ động

Trong mỗi thí nghiệm hấp phụ:

- Thể tích của VLHP trong cột hấp phụ là 10ml

- Dung dịch sau khi chảy qua cột được lấy liên tục theo từng Bed-Volume (BV)

Định nghĩa Bed-Volume (hay đơn vị thể tích cơ sở ): là thể tích của dung

dịch chảy qua cột đúng bằng thể tích chất hấp phụ nhồi trong cột đó

Tất cả các thí nghiệm tiến hành ở nhiệt độ phòng (25  10C)

37

2.4 C ác thí nghiệm nghiên cứu

2.4.1 Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Để xác định hàm lượng kim loại trước và sau khi hấp phụ, chúng tôi sử dụng kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F - AAS) Điều kiện đo phổ F- AAS (không khí – axetilen) của các nguyên tố Cu, Ni, Cr được thể chỉ

ra ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa

của các nguyên tố Cu, Ni, Cr

Khoảng tuyến tính (mg/l) 0,05 ÷ 2,5 0,1 ÷ 8,0 0,2 ÷ 10,0

Pha riêng rẽ dung dịch Cu(II), Ni(II), Cr(VI) với các nồng độ khác nhau từ dung dịch chuẩn nồng độ 1000 mg/l, thêm vào đó một thể tích xác định dung dịch HNO3 10% để nồng độ HNO3 là 1% Pha dung dịch HNO3 1% làm mẫu trắng Tiến hành đo mật độ quang (A) của từng dung dịch Dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ ion kim loại Kết quả thu được thể hiện ở các bảng 2.2; 2.3; 2.4 và các hình 2.6; 2.7; 2.8