Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu động học quá trình hấp phụ pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb 2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè “ là công trình nghiên cứu của riêng em dưới sự hướng dẫn của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

======

HOÀNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH

TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa lý

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

======

HOÀNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới ThS Trần Quang Thiện -

giảng viên khoa Hóa Học, trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã giao đề tài và

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu để

em có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa Học – Trường Đại

học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học

tập và nghiên cứu tại trường

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, người thân đã

động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2018

Sinh viên

Hoàng Thị Thúy

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb 2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè “ là công trình nghiên cứu của riêng

em dưới sự hướng dẫn của ThS.Trần Quang Thiện, trường Đại học Sư phạm

Hà Nội 2 Các số liệu và kết quả trong đề tài là trung thực, chưa từng được công bố trên tạp chí nào cho đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả

Hoàng Thị Thúy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu chọn nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Bã chè 3

1.1.1 Tổng quan về chè 3

1.1.2 Thành phần và tính chất của bã chè 3

1.2 Polyanilin (PANi) 5

1.3 Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng 6

1.4 Hấp phụ 7

1.4.1 Khái niệm 7

1.4.2 Dung lượng hấp phụ 7

1.4.3 Hiệu suất hấp phụ 8

1.4.4 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 8

1.4.5 Động học hấp phụ 10

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

2.1 Đối tượng nghiên cứu 13

2.2 Hóa chất – dụng cụ, thiết bị 13

2.2.1 Hóa chất 13

2.2.2 Dụng cụ 13

2.2.3 Thiết bị 13

2.3 Phương pháp nghiên cứu 14

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM 14

2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại IR 14

2.3.3 Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS 14

2.4 Tổng hợp vật liệu 15

2.4.1 Xử lý bã chè trước tổng hợp 15

2.4.2 Tổng hợp vật liệu 15

2.4.3 Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb2+ 16

2.3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian 16

2.4.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng ion Pb2+ 17

2.3.3.3 Ảnh hưởng của pH 17

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18

3.1 Tổng hợp vật liệu 18

3.1.1 Phổ hồng ngoại IR 18

3.1.2 Kết quả phân tích SEM 19

3.2 Khả năng xử lý ion Pb2+ 19

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian 19

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ 21

3.2.3 Ảnh hưởng của pH 23

3.3 Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 24

KẾT LUẬN 26

KHUYẾN NGHỊ 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

quét

Scanning electron microscopy

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC 18 Bảng 3.2 Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật

liệu PANi – BC 25

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc PANi 5

Hình 1.2 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 9

Hình 1.3 Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C 9

Hình 1.4 Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t 12

Hình 3.1 Phổ IR của các mẫu PANi, BC, PANi – BC. 18

Hình 3.2 Phổ SEM của các vật liệu BC, PANi, PANi – BC. 19

Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ dung dịch(a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ theo thời gian đối với các vật liệu Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7 20

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ ion Pb2+ đối với các vật liệu Nồng ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7 21

Hình 3.5 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến nồng độ của chất bị hấp phụ (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7 22

Hình 3.6 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến dung lượng hấp phụ Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7 22

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đến nồng độ dung dịch (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b) ion Pb2+ trên các vật liệu Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, t = 120 phút 23

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Thời gian hấp phụ t = 120 phút, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L 23

Hình 3.9 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu PANi – BC 24

Hình 3.10 Sự phụ thuộc tham số RL vào nồng độ ban đầu của Pb2+ 25

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, thế giới đang rung lên hồi chuông báo động về thực trạng ô nhiễm môi trường toàn cầu Nằm trong bối cảnh chung của thế giới, môi trường Việt Nam cũng đang xuống cấp một cách cục bộ Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng Nguyên nhân chính là do nguồn nước thải của các khu công nghiệp, khu chế xuất,….chứa rất nhiều ion các kim loại nặng như Pb2+, Mn2+,

Cu2+,… khi đưa ra ngoài môi trường hầu hết chưa được xử lý hoặc xử lý sơ

bộ Vấn đề đó đã và đang làm ảnh hưởng không chỉ đến hệ sinh thái mà còn

đe dọa đến sức khỏe con người Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới

Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học, phương pháp hóa học,… Trong đó phương pháp hấp phụ – sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, vỏ lạc, bã mía, lõi ngô,.… để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nước đang được áp dụng rộng rãi và cho kết quả khả thi

Phương pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ưu việt so với các phương pháp xử lý khác như giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại

Bã chè là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lượng hàng năm rất lớn Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, em tập trung

nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb 2+ trên vật liệu hấp thu chế tạo từ bã chè”

2 Mục tiêu chọn nghiên cứu

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb2+ và đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb2+

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích số liệu

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM

Phương pháp phổ hồng ngoại IR

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Điều chế được VLHP từ bã chè để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Bã chè

1.1.1 Tổng quan về chè

Chè có tên khoa học là Camellia sinensis là một loại cây công nghiệp lâu năm có đời sống kinh tế lâu dài mà mau cho sản phẩm, hiệu quả kinh tế cao và ổn định Ở Việt Nam cây chè được trồng tập trung chủ yếu ở: Tây Bắc, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Hòa Bình, Trung du và miền núi Bắc Bộ,…[21]

Chè tại Việt Nam được sản xuất chủ yếu trên quy mô thương mại và công nghiệp, có khoảng 174.900 tấn chè được sản xuất mỗi năm Với sản lượng và sự tiêu thụ lớn như vậy thì bã chè thu được là rất lớn Do đó, việc sử dụng bã chè để chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này [22]

1.1.2 Thành phần và tính chất của bã chè

Thành phần sinh hóa của chè biến động rất phức tạp nó phụ thuộc vào giống, tuổi chè, điều kiện đất đai, địa hình, kỹ thuật canh tác, mùa thu hoạch,… Thành phần sinh hóa chủ yếu trong búp chè gồm có [23]:

Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè Trong búp chè hàm lượng

nước thường có từ 75 – 82%

Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phầm

chất chè Tanin còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng cactechin Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tanin chè không giống nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi

Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhưng nhiều nhất là cafein Protein và axit amin: protein là hợp chất hữu cơ phức tạp chứa N, phân

bố không đều ở các phần của búp chè và thay đổi tùy theo giống, thời vụ, điều kiện canh tác và các yếu tố khác Protein kết hợp với một thành phần tanin làm cho vị chát và đắng giảm đi Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein

có lợi cho phẩm chất chè xanh Ngày nay người ta đã tìm thấy trong chè có 17 axit amin, các axit amin này kết hợp với đương và tanin tạo thành andehit có mùi thơm của chè đen và làm cho chè xanh khác nhau

Gluxit và pectin: trong lá chè chứa rất ít gluxit hòa tan, trong khi đó các

gluxit không hòa tan lại chiếm tỷ lệ lớn.Cellulose and hemixenlulo cũng tăng lên theo tuổi của lá, vì vậy nguyên liệu càng già chất lượng càng kém Hàm lượng đường hòa tan ở trong chè tuy ít nhưng rất quan trọng đối với hương vị chè Đường tác dụng với protein hoặc axit amin tạo nên các chất thơm

Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố,

carotin và xantofin Các sắc tố này biến động theo giống, theo mùa và các biện pháp kỹ thuật canh tác

Vitamin: các loại vitamin có trong chè rất nhiều Chính vì vậy giá trị

dược liệu cũng như giá trị dinh dưỡng của chè rất cao Theo các tài liệu của Trung Quốc, hàm lượng một số vitamin trong chè tính theo mg/L gam chất khô như sau: vitamin A: 54,5; B1: 0,70; B2:12,2; PP: 47,0; C:27,0 v.v…

Men: trong búp chè non có hầu hết các loại men, nhưng chủ yếu gồm

hai nhóm chính:

- Nhóm thủy phân: men amilase, glucosidase, proteasevà một số men khác

- Nhóm oxi hóa khử: peroxidase and polyphenoloxidase

Chất tro: hàm lượng tro trong chè tươi từ 4 – 5 % và trong chè khô từ 5

– 6% Trong chè, tro chia thành hai nhóm: hòa tan trong nước và không hòa tan trong nước

Bã chè là vật liệu lignoxenylulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose Các nhóm hydroxy trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không mạnh [10] Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxy hóa

các nhóm hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng axit sunfuric

Vì vậy bã chè là một tiềm năng rất lớn để chúng ta có thể tận dụng, tái chế đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội và còn có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con người, môi trường

- Với a = 0: Pernigranilin (màu xanh thẫm)

- Với b = 0: Leucoemeraldin (màu vàng)

- Với a = b = 1: Emeraldin (màu xanh)

- Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại

PANi được tổng hợp theo hai phương pháp là phương pháp hóa học và phương pháp điện hóa trong đó phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm hơn, tuy nhiên để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lượng lớn thì

phương pháp hóa học được sử dụng nhiều hơn [12]

1.3 Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng

Ở Việt Nam, sau gần 20 năm mở cửa và đẩy mạnh kinh tế với hơn 64 khu chế xuất và khu công nghiệp cộng thêm hàng trăm cơ sở hóa chất và chế biến trên toàn quốc đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn thải, tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp và khu dân cư lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh,… Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2011 có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng dòng xả nước thải xả ra môi trường do công trình hay thiết bị xử lý nước thải còn hạn chế đã và đang làm cho vấn đề ô nhiễm kim loại nặng càng trầm trọng

Trên thế giới tình hình ô nhiễm kim loại nặng không chỉ diễn ra ở các nước phát triển mà cả ở những nước đang phát triển và ngày càng diễn biến theo chiều hướng xấu Các sự cố nhiễm độc kim loại nặng đã được ghi nhận ở nhiều nơi trên thế giới như: Trung Quốc (lượng Cr trong nước uống tại Hồng Kông đã ở mức ung thư), Thái Lan (theo báo cáo của Viện Quốc tế quản lý nước năm 2004 thì hầu hết các ruộng lúa tại tỉnh Tak đã bị nhiễm Cd cao gấp

94 lần tiêu chuẩn cho phép), khu vực Nam Mỹ (ô nhiễm Hg từ hoạt động khai thác vàng),… Ảnh hưởng lâu dài không chỉ đến hệ sinh thái mà còn ảnh hưởng đến cả sức khỏe con người

 Xử lý môi trường bằng bã chè

Trên thế giới đã nhiều công trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ của

bã chè và ứng dụng trong việc xử lý môi trường như: công trình nghiên cứu của tác giả Xiaoping Yang [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của bã chè biến tính bằng kiềm như một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ Pb2+ trong dung dịch nước hay công trình của tác giả P Panneerselvam [17] đã nghiên cứu loại bỏ ion Ni2+ trong dung dịch nước bởi bã chè phủ oxit nano Fe3O4,…

Trong nước việc nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè vẫn là vấn

đề khá mới mẻ, chỉ có nghiên cứu của một số nhóm tác giả Trong đó, tác giả

Đỗ Trà Hương và Trần Thúy Nga (2014) [5] đã nghiên cứu hấp phụ màu xanh metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan Nghiên cứu của Đỗ Trà Hương và Dương Thị Tú Anh (2014) [4] đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè

Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 g chất hấp phụ Sự hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất

bị hấp phụ Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào độ xốp của chất hấp phụ

q: lượng chất bị hấp phụ (mg/g)

C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L) V: thể tích dung dịch (L)

m: khối lượng chất hấp phụ (g)

Đối với chất hấp phụ là rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,…

Nghiên cứu này sẽ nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ (VLHP) đối với ion kim loại Pb2+ trong môi trường nước theo mô hình đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [2,3]

Những luận điểm được đưa ra khi xây dựng thuyết:

 Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do của các nguyên tử hay phân tử bề mặt chất hấp phụ

 Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử

 Sự hấp phụ là thuận nghịch

 Tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bị bỏ qua Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng:

max

L L

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

C: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)

Hình 1.2 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [1]

Để tính các hằng số trong phương trình Langmuir ta đưa phương trình (1.3) về dạng đường thẳng:

max max

.C .

Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ được đồ thị sự phụ thuộc của C/q theo C Đường biểu diễn có độ dốc là:

max

1 tan