Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng bằng diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan

Kết quả nghiên cứu: Vật liệu diatomite đã được biến tính có khả năng làm chất hấp phụ loại bỏ có kim loại nặng trong dung dịch nước.. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA

CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016

_ _/V _ r ' 7 Ạ _ _ _ — — NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG

• • • BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN

TÍNH BỞI OXIT MANGAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA

CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015 - 2016

_ _/V _ r « _7 Ạ _ _ _ _ _ — — NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG

• • • BẰNG DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN

TÍNH BỞI OXIT MANGAN

Sinh viên thực hiện: CHU THỊ MINH HẢO Nam, Nữ: Nữ

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoá: D13HPT02 Năm thứ: 03 /Số năm đào tạo: 04

Ngành học: Cử nhân Hoá học

Người hướng dẫn: ThS: NGUYỄN TRUNG HIẾU

UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

2

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG BẰNG

DIATOMITE TỰ NHIÊN VÀ DIATOMITE BIẾN TÍNH BỞI OXIT MANGAN

- Sinh viên thực hiện: Chu Thị Minh Hảo

- Lớp: D13HPT02 Khoa: KHTN Năm thứ: 03 Số năm đào tạo: 04

- Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Trung Hiếu

2 Mục tiêu đề tài:

Đánh giá khả năng loại bỏ các kim loại nặng trong dung dịch nước của diatomite

tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan

3 Tính mới và sáng tạo:

Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong môi trường nước củadiatomite trước và sau biến tính bằng oxit mangan theo mô hình động học hấp phụ biểukiến bậc hai và đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

4 Kết quả nghiên cứu:

Vật liệu diatomite đã được biến tính có khả năng làm chất hấp phụ loại bỏ có kim loại nặng trong dung dịch nước

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Vật liệu diatomite sau biến tính bằng natri hydroxit hoặc oxit mangan có khả năngứng dụng để làm chất hấp phụ xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng từ các nhà máycông nghiệp

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài:

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực

NGUYỄN TRUNG HIẾU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN Xác nhận của lãnh đạo khoa

4

CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN: Họ và tên: CHU THỊ MINH

HẢO Sinh ngày 20 tháng 09 năm 1995 Nơi sinh: Tỉnh Hưng

Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên

Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình - Khá

Sơ lược thành tích: học kì I : 7.07 ; học kì II : 6.86 * Năm thứ 2:

Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên

Kết quả xếp loại học tập: Khá

Sơ lược thành tích: học kì I : 7.43, học kì II : 7.44 * Năm thứ 3:

Ngành học: Hóa Học Khoa: Khoa Học Tự Nhiên

Ảnh 4x6

Xác nhận của lãnh đạo khoa

5

1.Kết luận

Kiến nghị

7

37 37

Bảng 3.4 Dữ liệu hấp phụ ion Zn2+ trong dung dịch nước của mẫu Mn-DB

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

AAS (Atomic Absorption Spectroscopy)

DB

DPY

EDX (Energy Dispersive X-ray)

FIIR (Fourier Transform Infrared)

Phổ hấp thụ nguyên tử Diatomite tinh chế bằng bazơ Diatomite tinh chế bằng bazơPhổ tán xạ tia X

Phổ hồng ngoại DB biến tính bởi MnCl2

Hiển vi điện tử quét

con người Đó là vấn đề đang được xã hội quan tâm.

Trước đây, đã có nhiều nghiên cứu về việc loại bỏ các kim loại nặng trong nướcbằng các phương pháp khác nhau như: kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ, điện hóa, sinhhọc, Trong đó, hấp phụ được xem là phương pháp hữu hiệu và kinh tế nhất

Diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo diatom, một loại thực vật đơn bào ưasắt có cấu tạo từ oxit silic vô định hình Các giống tảo diatom tạo đá chủ yếu là các tảo trôinổi sống trong môi trường nước ngọt miền duyên hải, số lượng tảo bám đáy rất ít Ngoàicác mảnh vỏ tảo diatom, trong đá còn có thể có số lượng nhỏ gai xương bọt biển Hàmlượng mảnh vỏ diatom trong diatomite chiếm từ 50% trở lên với số lượng mảnh vỏ từ 5-7triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/gam đá Nguồn vật liệu oxit silic vô định hình cấu tạo nên vỏtảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kích thước nhỏ 0,5-3 ^m Các mảnh vỏ tảothường có dạng đốt trúc tồn tại dạng quần thể hoặc từng đốt đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến30^m, thậm chí bị vỡ vụn, dập nát

Với thành phần chính là silic và tính chất xốp cao nên diatomite là một chất hấp phụmạnh và là chất cách nhiệt lý tưởng Do đó diatomite được sử dụng rộng rãi như là chất lọc,chất trợ lọc, chất mang xúc tác và là chất cách âm cách nhiệt Gần đây, một số công trìnhcông bố ứng dụng diatomite làm chất mang sinh học, chất mang thuốc, chất mang xúc tác,cột sắc ký chức năng lọc được sự quan tâm rất lớn Không những thế muốn sử dụng tốtngười ta còn biến tính diatomite để được hiệu quả như mong muốn, một trong số đó là biếntính diatomite bằng oxit mangan để làm tăng khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trongdung dịch nước

Trong nghiên cứu hấp phụ, Al - Degs và cộng sự [17] đã nghiên cứu về dung lượnghấp phụ của daitomite Jordan Kết quả cho thấy rằng diatomite là một vật liệu hấp phụ tiềmnăng đối với ion Pb(II) Các tính chất trao đổi bên trong được cải thiện hơn bằng cách biếntính với oxit mangan Vật liệu hấp phụ được biến tính bởi oxit mangan cho thấy có xuhướng hấp phụ các ion chì khỏi dung dịch cao hơn Hiệu suất hấp phụ cao của diatomite đãbiến tính được cho là do diện tích bề mặt tăng lên và tích điện âm bề mặt cao hơn sau khiđược biến tính Al-Ghouti [5] cũng đã chứng minh rằng diatomite ngâm tẩm bằng oxitmangan là một vật liệu hấp phụ hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng trong dung dịch nước

Oxit mangan được xem như cái máy “hút bụi” tốt để làm sạch các ion kim loại nặng

đến mức mà nó đã được coi như một nơi chứa ion kim loại nặng [17] Oxit mangan là mộtnguyên liệu quan trọng trong mặt đất, địa hóa học biển và trong trầm tích Loại birnessite(\a.|\1ni.|O. .9l l;O hoặc ỗ-MnO2) là một trong những dạng phổ biến và hoạt động nhất củakhoáng mangan trong đất, trầm tích và trong nước Đây là một vật liệu hấp phụ mạnh củacác ion khoáng và hoạt động như một máy “hút bụi” để làm sạch môi trường biển và nướcngọt [ii].

Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ kimloại nặng trong nước bằng diatomite tự nhiên và diatomite biến tính bởi oxit mangan

Đề tài này được trình bày theo các mục chính sau:

- Mở đầu

- Chương i: Tổng quan

- Chương 2: Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Sự ô nhiễm môi trường nước bởi các kim loại nặng

Ô nhiễm môi trường nước là hiện tượng các vùng nước như: sông, hồ, biển, nướcngầm, bị các hoạt động của con người làm ô nhiễm các chất có thể gây hại cho con người

và cuộc sống của các sinh vật trong tự nhiên

Đối với hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn là nguồn nướcđược quan tâm, bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phụthuộc và sự biến động theo mùa Ngoài ra, nguồn nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi tácđộng của con nguời Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay hạt lơ lửng, visinh vật và vi trùng gây bệnh thấp Nước ngầm bị ảnh hưởng bởi các điều kiện hạ tầng, thờitiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực Ở những vùng có điềukiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ônhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa ngấmvào đất Ngoài ra nguồn nước ngầm còn bị nhiễm bẩn do tác động của con người như cácchất thải của con người, động vật, các chất thải sinh hoạt, chất thải hóa học, việc sử dụngphân bón hóa học,

Việt Nam là một trong những nước đang phải đối diện với sự ô nhiễm kim loại nặng

ở nguồn nước một cách trầm trọng Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày, dưới tốc độ pháttriển như ngày nay con người vô tình làm ô nhiễm nguồn nước bằng các hóa chất, chất thải

từ các nhà máy, xí nghiệp Các đơn vị, cá nhân sử dụng nước ngầm dưới hình thức khoangiếng, sau khi ngưng sử dụng không bịt kín các lỗ khoan lại làm cho nước bẩn chảy vào làm

ô nhiễm nguồn nước ngầm Các nhà máy xí nghiệp xả khói bụi công nghiệp làm ô nhiễmkhông khí, khi trời mưa, các chất ô nhiễm sẽ lẫn vào nước mưa góp phần làm ô nhiễmnguồn nước Việt nam cũng là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng

và khá tốt về chất lượng Nước ngầm ở Việt Nam nói chung có hàm lượng muối cao, hàmlượng Fe, Mn, Mg cao hơn so với thế giới

Vấn đề ô nhiễm nguồn nước bởi các kim loại nặng đã trở thành vấn đề nghiêm trọngtrong những năm gần đây Kim loại nặng không chỉ rất độc mà còn có tác dụng gây hại đếncác sinh vật trong nước Các kim loại nặng như cadimi, đồng, chì, nickel thải ra ngoài môitrường từ nước thải của các nhà máy mạ điện, nhà máy làm điện cực, nhà máy sản xuất chất

màu Chúng có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể sinh vật Trong cơ thể con người,chúng là tác nhân gây hư thận, phổi và gây tổn thương xương.

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 Một số kimloại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên tố vi lượng Một sốkhông cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây độc hại gì Kimloại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quátiêu chuẩn cho phép

Chì (Pb): Là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khoẻ con người Chì gây độc cho

hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ enzim có nhóm hoạt độngchứa hyđro Người bị nhiễm độc chì sẽ bị rối loạn bộ phận tạo huyết (tuỷ xương) Tuỳ theomức độ nhiễm độc có thể bị đau bụng, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp, tai biến não,nhiễm độc nặng có thể gây tử vong Đặc tính nổi bật là sau khi xâm nhập vào cơ thể, chì ít

bị đào thải mà tích tụ theo thời gian rồi mới gây độc

- Chì đi vào cơ thể con người qua nước uống, không khí và thức ăn bị nhiễm chì

- Chì tích tụ ở xương, kìm hãm quá trình chuyển hoá canxi bằng cách kìm hãm sựchuyển hoá vitamin D

- Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống: £ 0,05 mg/ml

Đồng (Cu): hiện diện trong nước do hiện tượng ăn mòn trên đường ống và các dụng

cụ thiết bị làm bằng đồng hoặc đồng thau Các loại hóa chất diệt tảo được sử dụng rộng rãitrên ao hồ cũng làm tăng hàm lượng đồng trong nguồn nước Nước thải từ nhà máy luyệnkim, xi mạ, thuộc da, sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ hay phim ảnh cũng góp phần làm tănglượng đồng trong nguồn nước

Đồng không tích lũy trong cơ thể nhiều đến mức gây độc Ở hàm lượng 1-2 mg/l đãlàm cho nước có vị khó chịu, và không thể uống được khi nồng độ cao từ 5-8 mg/l Tiêuchuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng đồng nhỏ hơn 2 mg/l

Kẽm (Zn): Kẽm ít khi có trong nước, ngoại trừ bị ô nhiễm từ nguồn nước thải của

các khu khai thác quặng

Chưa phát hiện kẽm gây độc cho cơ thể người, nhưng ở hàm lượng > 5 mg/l đã làmcho nước có màu trắng sữa Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượngkẽm < 3mg/l

Thuỷ ngân (Hg): Tính độc phụ thuộc vào dạng hoá học của nó Thuỷ ngân nguyên

tố tương đối trơ, không độc Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại thì sau đó sẽ được thải ra màkhông gây hậu quả nghiêm trọng Nhưng thuỷ ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thường nên nếuhít phải sẽ rất độc Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin chứa lưu huỳnh, cáchemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thayđổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh.Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân sẽ bị phân liệt, co giật không chủ động Trong nước, metylthủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia

Asen (As): Là kim loại có thể tồn tại ở dạng tổng hợp chất vô cơ và hữu cơ Trong tự

nhiên tồn tại trong các khoáng chất Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng, nồng độ caogây độc cho động thực vật

- Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen là núi lửa, bụi đại dương Nguồn nhân tạo gây ônhiễm asen là quá trình nung chảy đồng, chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, sử dụngthuốc trừ sâu

- Asen có thể gây ra 19 căn bệnh khác nhau Các ảnh hưởng chính đối với sức khoẻcon người: làm keo tụ protein do tạo phức với asen III và phá huỷ quá trình photphohoá; gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang

- Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là 0,01 mg/l

Cađimi (Cd): Là kim loại được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, chế tạo đồ

nhựa; hợp chất cađimi được sử dụng để sản xuất pin

Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm cađimi do bụi núi lửa, bụi vũ trụ, cháy rưng Nguồn nhân tạo là từ công nghiệp luyện kim, mạ, sơn, chất dẻo

- Cađimi xâm nhập vào cơ thể người qua con đường hô hấp, thực phẩm Theo nhiều nghiên cứu thì người hút thuốc lá có nguy cơ bị nhiễm cađimi

- Cađimi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và xương; gây nhiễu hoạt động của một số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá huỷ tuỷ xương, gây ảnh hưởng đến nội tiết, máu, tim mạch

- Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống £ 0,003 mg/l.

Crom (Cr): tồn tại trong nước với 2 dạng Cr (III), Cr (VI) Cr (III) không độc nhưng

Cr (VI) độc đối với động thực vật Với người Cr (VI) gây loét dạ dày, ruột non, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi

- Crom xâm nhập vào nguồn nước từ các nguồn nước thải của các nhà máy mạ điện, nhuộm, thuộc da, chất nổ, mực in, in tráng ảnh

- Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lượng crom trong nước uống là £ 0,005 mg/l

Mangan (Mn): là nguyên tố vi lượng, nhu cầu mỗi ngày khoảng 30 - 50 mg/kg trọng

lượng cơ thể Nếu hàm lượng lớn gây độc cho cơ thể; gây độc với nguyên sinh chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận, bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng gây tử vong

- Mangan đi vào môi trường nước do quá trình rửa trôi, xói mòn, do các chất thải côngnghiệp luyện kim, acqui, phân hoá học

- Tiêu chuẩn qui định của WHO trong nước uống là £ 0,1 mg/l

1.2 Phương pháp hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước

Hấp phụ là phương pháp tách chất, trong đó các cấu tử từ hỗn hợp lỏng hoặc khí hấpphụ trên bề mặt chất rắn, xốp

Chất hấp phụ: chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ

Chất bị hấp phụ: chất được tích luỹ trên bề mặt chất hấp phụ

Chất mang: là vật liệu phân tán chất hấp phụ

Quá trình giải hấp là quá trình đẩy chất bị hấp phụ ra khỏi bề mặt chất hấp phụ.Khi quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp

Hấp phụ gồm hai quá trình: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

Hấp phụ vật lý gây ra do lực Van de Van, liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ

Hấp phụ hoá học tạo thành lực liên kết hoá học giữa mặt chất bị hấp phụ và phần tửchất bị hấp phụ, liên kết này tương đối bền và khó bị phá vỡ

Thông thường, trong quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình trên Đểphân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học, người ta đưa ra một số chỉ tiêu so sánh sau:

- Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hoặc đa lớp, hấp phụ hoá học chỉ là đơn lớp

- Tốc độ hấp phụ: Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử do đó xảy ra

nhanh, hấp phụ hoá học nói chung đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử do đó xảy ra chậm hơn.

- Nhiệt lượng hấp phụ: Đối với hấp phụ vật lý lượng nhiệt toả ra AH<20kJ/mol, cònhấp phụ hoá học nhiệt toả ra AH > 50kJ/mol

- Tính đặc thù: Hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hoá học do đó ít mang tínhđặc thù rõ rệt Còn hấp phụ hoá học mang tính đặc thù cao, nó phụ thuộc vào khảnăng tạo thành liên kết hoá học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

1.2.1 Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ

Cân bằng hấp phụ: quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt chất hấpphụ là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ đã hấp phụ trên bề mặt chất

bị hấp phụ vẫn di chuyển ngược lại Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bềmặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn Đến một thờiđiểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ di chuyển ngược lại pha mang (giải hấp) thì quátrình hấp phụ đạt cân bằng

Dung lượng hấp phụ cân bằng được biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn

vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dưới các điều kiện nồng độ và nhiệt độcho trước

Dung lượng (q) được xác định theo công thức:

q J c-C f ) - V

m

(1.1)Trong đó

V: Thể tích dung dịch (l) m: Khối lượng chất hấp phụ (g).

Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch ban đầu (mg/l) Cf: Nồng độ chất bị hấp phụ dung dịch cân bằng (mg/l)

Cũng có thể biểu diễn dung lượng hấp phụ theo khối lượng chất hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ:

(1.2)Trong đó:

s: diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ (cm2)

Ci: Nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch ban đầu (mg/l) Cf: Nồng độ chất

bị hấp phụ trong dung dịch cân bằng (mg/l)

1.2.2 Phương trình động học hấp phụ

Các tham số động học hấp phụ rất quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng chất hấpphụ Tuy nhiên, các tham số động học thực rất khó xác định vì quá trình hấp phụ khá phứctạp, bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như khuếch tán, bản chất cấu trúc xốp, thành phần hóa họccủa chất hấp phụ Do đó hiện nay người ta thường ứng dụng phương trình động học hìnhthức để xác định các hằng số tốc độ biểu kiến

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

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

t k2.q2e q e

Trong đó

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) qt: dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g) k1: hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất biểu kiến (phút-1) k2: hằng

số tốc độ hấp phụ bậc hai biểu kiến (g.mg-1.phút-1)

Từ các phương trình trên, có thể xác định được giá trị thực nghiệm của qt theo t vàtính được hằng số tốc độ hấp phụ biểu kiến k1, k2 Giá trị của hằng số tốc độ biểu kiến làmột trong các thông số để so sánh giữa các chất hấp phụ đối với cùng một chất bị hấpphụ

1.2.3 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

1.2.3.1 Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Phương trình 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 tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Tuy vậy, mô hình Langmiur có thể áp dụng cho quá trình chất hấp phụ trong dung dịch nước Khi đó, phương trình Langmuir được biễu diễn như sau:

q = q K.C e qe qmax 1 + K C

(1.7)Trong đó :

Ce : nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng

Khi nồng độ chất bị hấp phụ là rất nhỏ (K.Ce << 1) ta có:

Như vậy, dung lượng hấp phụ tỉ lệ với nồng độ chất hấp phụ

Khi nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn ( K.Ce >> 1) thì qe ~ q max Tức là dung lượnghấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi khi tăng nồng độ chất bị hấp phụ Khi đó bề mặt chấthấp phụ đã được bão hòa bởi một đơn lớp các phân tử chất bị hấp phụ

Phương trình trên chứa hai thông số qmax và hằng số K Dung lượng hấp phụ cựcđại qmax có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ còn hằng số K phụ thuộccặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và nhiệt độ Từ các số liệu thực nghiệm

ta có thể xác định qmax và hằng số K bằng phương pháp tối ưu hay đơn giản bằng phươngpháp đồ thị

Với phương pháp đồ thị, phương trình 1.7 được viết thành:

và dung lượng hấp phụ cực đại qmax

1.2.3.2 Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Mô hình này dựa trên giả thuyết sự hấp phụ là đa lớp, bề mặt chất hấp phụ làkhông đồng nhất với các tâm hấp phụ khác nhau về số lượng và năng lượng hấp phụ.Quan hệ giữa dung lượng hấp phụ cân bằng và nồng độ cân bằng của chất hấp phụ đượcbiểu diễn bằng phương trình :

log m = log K + n log Ce

mn

(1.11)

1log Qe = log K + n log Ce

1.3 Giới thiệu về diatomite

Diatomite (hay còn có tên gọi khác là Kieselguhr) là một loại khoáng trầm tíchsilic phi kim loại được hình thành một cách tự nhiên do sự tích tụ các khung xương củatảo đơn bào Thành phần chủ yếu của diatomite là vỏ tảo cát (diatom) với rất nhiều hìnhdạng và kích thước khác nhau, thường là 10-200 p m [10]

Diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo Diatom, một loại thực vật đơn bào

ưa sắt có cấu tạo từ oxit silic dạng opal vô định hình (Opal-A) Các giống tảo Diatom tạo

đá chủ yếu là các tảo trôi nổi sống trong môi trường nước ngọt miền duyên hải, số lượngtảo bám đáy rất ít Ngoài các mảnh vỏ tảo Diatom, trong đá còn có thể có số lượng nhỏgai xương bọt biển Hàm lượng mảnh vỏ Diatom trong diatomite chiếm từ 50% trở lênvới số lượng mảnh vỏ từ 5-7 triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/g đá Nguồn vật liệu oxit silicdạng opal vô định hình cấu tạo nên vỏ tảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kíchthước nhỏ 0,5-3 ^m Các mảnh vỏ tảo thường có dạng đốt trúc còn tồn tại dạng quần thểhoặc từng đốt đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến 30 pm, thậm chí bị vỡ vụn, dập nát [4]

Trong quá trình tích tụ và thành đá, dạng opal vô định hình của vỏ tảo hầu nhưkhông bị biến đổi Các quá trình biến đổi chủ yếu mang tính cơ học như co ngót thể tích,mất nước Các quá trình biến đổi trong đá chủ yếu là montmorilonite hoá, zeolite hoávật liệu, thuỷ tinh núi lửa hoặc ít hơn là tái kết tinh nguồn opal không có nguồn gốc sinhvật thành cristobalite và tridymite

Khoáng diatomite ở Việt Nam phân bố chủ yếu ở cao nguyên Vân Hòa (Phú Yên)với 2 đến 5 thân khoáng có độ dày từ vài mét đến hàng chục mét (thân khoáng 3 Hoà Lộcdày trung bình 28,3 m, có chỗ tới 33,4 m) Các thân khoáng lộ ra trên bề mặt tạo thànhviền bao quanh sườn Bắc, Đông và Tây cao nguyên trong khoảng độ cao từ 70-200 m ởsườn phía Đông (An Lĩnh, Tuy Dương, An Thọ) đến 160-320 m ở sườn Bắc và Tây (Hoàhay

(1.13)

Lộc, Dốc Thặng) Sét diatomite thường có màu trắng, xám trắng, đôi khi xám phớt nâu[3].

Hình 1.1 trình bày ảnh SEM của khoáng diatomite Hình thái của nó bao gồm cácống kích thước vài chục đến vài trăm ^m Trên thành ống có các mao quản kích thướctrung bình cỡ vài chục nanometer Với cấu trúc xốp như vậy nên diatomite thích hợp chocác quá trình khuếch tán trong mao quản

Diện tích bề mặt của diatomite tương đối cao so với các khoáng tự nhiên khác(thay đổi tuỳ từng loại từ 20-90 m2/g) [7]

Các nhóm hydroxyl trên bề mặt diatomite đóng vai trò như các tâm hấp phụ hoạttính, các dạng hydroxyl bao gồm: (i) nhóm silanol tự do (-SiOH), (ii) nhóm silanol tự dokép (-Si(OH)2), (iii) cầu -Si-O-Si- với nguyên tử oxy trên bề mặt (hình 1.2) Nhóm silanol

có hoạt tính cao và có khuynh hướng phản ứng với nhiều hợp chất hữu cơ phân cực cónhững nhóm chức khác nhau Do những đặc điểm như vậy nên diatomite là chất hấp phụ

tự nhiên lý tưởng cho nhiều ngành công nghiệp

Hình 1.1 Ảnh SEM của diatomite [17]

Hình 1.2 Các dạng hydroxyl trên bề mặt diatomite [21]

Diatomite có một số đặc tính có lợi như cấu trúc có độ xốp cao (80-90%), tỷ trọngthấp, dung lượng hấp phụ cao và giá thành tương đối thấp (do có trữ lượng lớn và phân

bố rộng rãi) Có khả năng sử dụng làm chất hấp phụ các hóa chất vô cơ và hữu cơ Hơnnữa, diatomite cũng được ứng dụng nhiều trong các thiết bị lọc của một số ngành côngnghiệp do những tính chất đặc biệt của nó Người ta cho rằng diatomite có thể được sửdụng thành công như một giải pháp hữu hiệu để thay thế than hoạt tính Diatomite rẻ hơn

so với than hoạt tính thương mại khoảng 500 lần Vỏ tảo cát, trong đó chủ yếu là silica vôđịnh hình, có các tính chất như độ xốp cao với khả năng hấp phụ mạnh và khả năng chịunhiệt tuyệt vời Do đó, diatomite được sử dụng rộng rãi làm chất lọc axit, chất trợ xúc tác

và chất hấp phụ [14]

Các ứng dụng của diatomite như:

- Dùng để lọc: Làm chất trợ lọc trong sản xuất bia, rượu, nước mía ép, nước quả éphoặc làm trong dầu ăn; làm sạch môi trường nuôi thủy sản,

- Làm chất độn: Diatomite khá trơ, chịu được lửa, có khả năng hấp phụ lớn nên rấtthích hợp để làm chất độn trong sản xuất sơn, gia công chất dẻo, cao su, giấy, sảnxuất thuốc đánh răng và đúc răng giả

- Làm vật liệu mài bóng bạc, đánh bóng vỏ xe

- Làm chất hấp phụ: Diatomite có thể hấp phụ một lượng chất lỏng lớn gấp ba lầnkhối lượng của nó, được dùng làm chất mang cho các loại thuốc trừ sinh vật hại,các chất xúc tác, làm chất chống đóng vón hay chất hấp thụ mùi hôi thối của phânsúc vật nuôi trong nhà

Gần đây, các ứng dụng mới của diatomite như làm chất mang thuốc, chất trợ sinhhọc, chất trợ sắc kí và chất lọc chức năng (functional filler) đang thu hút được nhiều sựchú ý [16]