Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng cu2+ và zn2+ trong nước bằng vật liệu sio2 tách từ vỏ trấu

Việc nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu ñể ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng và một số hợp chất hữu cơ trong nước sẽ có ý nghĩa thực tiễn trong việc sử dụng một cách có hiệu q

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN VĂN ĐỨC

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG

Cu2+VÀ Zn2+ TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU SiO2

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TỰ HẢI

Phản biện 1: GS.TS ĐÀO HÙNG CƯỜNG

Phản biện 2: TS NGUYỄN THỊ BÍCH TUYẾT

Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 11 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn ñề tài

Ngày nay, cùng với sự gia tăng các hoạt ñộng công nghiệp là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác ñộng tiêu cực trực tiếp ñến môi trường, ñặc biệt là sự ảnh hưởng nghiêm trọng của môi trường nước Các hoạt ñộng khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp ñiện tử, mạ ñiện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm ñã tạo ra các nguồn ô nhiễm môi trường nước chính chứa các kim loại nặng như Cu, Zn, Pb, Ni, As và những hợp chất hữu cơ ñộc hại Những chất này có liên quan trực tiếp ñến các biến ñổi gan, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng ñến môi trường dù chỉ ở hàm lượng nhỏ

Do ñó, nghiên cứu tách các ion kim loại nặng và hợp chất hữu cơ ñộc hại từ các nguồn nước bị ô nhiễm là vấn ñề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng ñồng và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Đã có nhiều phương pháp ñược sử dụng, trong ñó phương pháp hấp phụ tỏ ra có nhiều ưu ñiểm và ñược sử dụng rộng rãi hơn cả bởi các ưu ñiểm như xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị và ñặc biệt là có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ

Trong phương pháp hấp phụ thì các vật liệu khoáng sét hay vật liệu biến tính từ các phế phẩm nông nghiệp (Biomass) như tro trấu, sơ dừa, vỏ lạc, bã mía, vỏ sắn,… ñược xem là các loại vật liệu hấp phụ có nhiều triển vọng

Theo một số tài liệu và khảo sát sơ bộ chúng tôi nhận thấy trong trấu có chứa lượng lớn SiO2 với cấu trúc xốp nên có thể ñược

sử dụng làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại nặng và các chất hữu

cơ trong nước

Việc nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu ñể ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng và một số hợp chất hữu cơ trong nước sẽ

có ý nghĩa thực tiễn trong việc sử dụng một cách có hiệu quả nguồn

vỏ trấu khổng lồ, giảm thiểu khả năng gây ô nhiễm môi trường, ñồng thời tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền từ nguồn nguyên liệu phế

thải của cây lúa Vì vậy, chúng tôi chọn ñề tài: “Nghiên cứu hấp

tách từ vỏ trấu” ñể nhằm tìm hiểu về một loại vật liệu hấp phụ rẻ

tiền, có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng trong xử lý môi trường.

2 Mục tiêu của ñề tài

Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trong nước bằng vật liệu SiO2 tách từ vỏ trấu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu : Vỏ trấu lấy từ Núi Thành - Quảng Nam

+ Phạm vi nghiên cứu: khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ ion kim loại của vỏ trấu sau khi biến tính, từ ñó rút

ra nhận xét, khả năng hấp phụ ion kim loại của vỏ trấu

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lí thuyết

- Thành phần và tính chất của SiO2

- Thành phần của vỏ trấu, tro trấu

- Các phương pháp hấp phụ và giải hấp

- Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

- Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét (SEM)

- Phương pháp ño ñẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET)

- Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

- Phổ hồng ngoại (IR)

4.2 Phương pháp thực nghiệm

Xác ñịnh thành phần và ñặc tính hóa lý của vỏ trấu

• Xác ñịnh thành phần và ñặc tính hóa lý của tro trấu

• Khảo sát một số tính chất vật lý của vỏ trấu

• Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình tách SiO2 từ vỏ trấu

• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ bể một

số ion kim loại nặng (Cu2+, Zn2+) của vỏ trấu biến tính

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

So sánh khả năng hấp phụ của vỏ trấu khi chưa biến tính và biến tính nhằm tạo ra một vật liệu hấp phụ cao, hiệu quả nhưng giá thành lại rẻ ñối với các ion kim loại nặng trong nước

6 Bố cục luận văn

Ngoài phần mở ñầu, kết luận - kiến nghị và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có các chương như sau :

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về Silic ñioxit

Thêm dung dịch HCl 4M

Rửa bằng nước cất Sấy ở 1000c

Nung ở

5500C

Dung dịch Hỗn hợp dạng

2/ Đốt 3/ Nung ở 8000C

1/ Thêm dung dịch NaOH 5M

2/ Đun nóng

3/ Lọc

2.3 Xác ñịnh thành phần và một số ñặc tính hóa lý của vỏ trấu

2.4 Xác ñịnh thành phần và ñặc tính hóa lý của tro trấu 2.5 Quá trình tách silic ñioxit (SiO2) từ vỏ trấu

Hình 2.1 Sơ ñồ tách SiO2 từ vỏ trấu

2.6 Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình tách SiO2 từ vỏ trấu

2.7 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ bể

Cu2+ và Zn2+

2.8 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ cột

Cu2+ và Zn2+

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả xác ñịnh thành phần hóa học và một số ñặc tính hóa

Bảng 3.1 Kết quả xác ñịnh thành phần nguyên tố của vỏ trấu

Nguyên tố Phần trăm khối

* Nhận xét: Từ bảng 3.1 ta thấy trong thành phần của vỏ trấu

thì chủ yếu chứa các nguyên tố C, H, O, Si ( chiếm tới 98,85%) còn lại các nguyên tố khác là không ñáng kể

Trong ñó, hàm lượng Si chiếm tỉ lệ tới 9,81 % (tương ñương với phần trăm SiO2 là 21,02%) nên thuận lợi cho việc tách SiO2 ñể sử dụng cho quá trình hấp phụ

3.1.2 Kết quả xác ñịnh ñộ ẩm của vỏ trấu

Vỏ trấu sau khi làm sạch phơi khô thì hàm lượng nước trong

ñó vẫn chiếm một tỉ lệ ñáng kể (8,96%)

3.1.3 Kết quả xác ñịnh hàm lượng tro

Hàm lượng tro trong vỏ trấu là 10,32 %.

3.2 Kết quả xác ñịnh thành phần hóa học của tro trấu

Trấu ñem ñốt và nung ñến hoàn toàn trong lò nung khoảng 8 giờ ta ñược kết quả như hình 3.2 và 3.3

Hình 3.2 Vỏ trấu sau khi ñốt Hình 3.3 Tro trấu sau khi nung

Kết quả xác ñịnh thành phần nguyên tố của tro trấu ñược trình bày ở bảng 3.4

Bảng 3.4 Kết quả xác ñịnh thành phần phần trăm nguyên tố trong

tro trấu

Nguyên tố Phần trăm khối

lượng (%) Nguyên tố

Phần trăm khối lượng (%)

* Nhận xét : Từ kết quả xác ñịnh trong bảng 3.3 trên ta thấy

tro trấu sau khi nung chỉ còn lại chủ yếu là 2 nguyên tố Si và O

3.3 Tách silic ñioxit từ vỏ trấu

3.3.1 Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình tách ñioxit từ

vỏ trấu

Tiến hành thí nghiệm với 5 gam tro trấu, 100ml dung dịch NaOH với các nồng ñộ như trong bảng 3.5, thời gian ñun là 1,5 giờ

ta thu ñược kết quả ở bảng 3.5

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình tách SiO2 từ

Khối lượng SiO2(gam)

Kết quả trên ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.4 sau:

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng ñộ NaOH ñến quá trình tách SiO2 từ

vỏ trấu

* Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.5 và ñồ thị hình 3.4 ta thấy khi

nồng ñộ NaOH tăng lên thì khối lượng SiO2 tách ra tăng lên Từ nồng ñộ NaOH lớn hơn 5M thì khối lượng SiO2 tách ra tăng lên không ñáng kể.Từ kết quả trên chúng tôi chọn nồng ñộ NaOH là 5M cho các quá trình tách NaOH sau này

3.3.2 Kết quả xác ñịnh ñộ tinh khiết của silic ñioxit

Silic ñioxit ñược tách ra từ quá trình trên ñược kết quả trong hình

Phần trăm khối lượng (%) 52,22 1,95 41,46 2,37

* Nhận xét: Từ bảng 3.6 trên ta nhận thấy trong mẫu silic

ñioxit tách ra thì phần trăm của 2 nguyên tố Si và O là chủ yếu, chứng tỏ trong mẫu này silic ñioxit chiếm tỉ lệ cao (88,84%) thuận lợi cho việc sử dụng vật liệu này ñể hấp phụ ion kim loại

3.3.3 Kết quả chụp SEM của mẫu Silic ñioxit

Hình 3.6 Ảnh chụp SEM của Silic ñioxit

Từ kết quả chụp SEM trên ta thấy bề mặt của Silic ñioxit có nhiều lỗ trống, cấu trúc xốp thuận lợi cho việc hấp phụ ion kim loại nặng trong nước

3.3.4 Kết quả ño phổ hồng ngoại (IR) của mẫu Silic ñioxit

Kết quả ño ñược trình bày trong hình 3.6

Hình 3.7 Phổ Hồng ngoại (IR) của Silic ñioxit

Từ hình 3.7 ta thấy: Phổ hồng ngoại của silic ñioxit xuất hiện

các píc ñặc trưng ở 3446,2 cm-1; 1099,3 cm-1, 806,8 cm-1 và 467 cm

Trong ñó píc ở 3446,2 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng kéo căng nhóm O-H gắn trong nhóm silanol tự do (Si-O-H) Píc ở 1099,3 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng hóa trị của nhóm siloxan (Si-O-Si) Píc ở 806,8

cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng của cả nhóm SiOH Píc ở 467 cm-1 ñặc trưng cho dao ñộng biến dạng góc trong nhóm siloxan (Si-O-Si)

3.3.5 Kết quả ño phổ nhiễu xạ (XRD) của mẫu silic ñioxit

Kết quả ño XRD của mẫu silic ñioxit ñược trình bày trong hình 3.8

Hình 3.8 Kết quả ño XRD của mẫu silic ñioxit

* Nhận xét: Từ kết quả ño XRD trên có thể khẳng ñịnh silic

ñioxit ñược tách ra tồn tại dưới dạng vô ñịnh hình (chỉ có 2 pic xuất hiện ở 31,691o và 45,442o với cường ñộ rất thấp), có ñộ xốp cao, thuận lợi cho việc sử dụng hấp phụ ion kim loại nặng trong nước

3.3.6 Kết quả ño xác ñịnh diện tích bề mặt riêng (BET) của mẫu silic ñioxit

Hình 3.9 Kết quả ño BET của mẫu silic ñioxit

* Nhận xét: : Silic ñioxit có diện tích bề mặt riêng là 116,56

m2/g, ñường kính mao quản trung bình 311,21 A0 Diện tích bề mặt riêng và ñường kính trung bình của silic ñioxit là khá lớn nên thuận lợi cho quá trình hấp phụ ion kim loại nặng trong nước

3.4 Nghiên cứu khả năng hấp phụ bể của silic ñioxi ñối với ion

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến quá trình hấp phụ bể

của Cu2+ và Zn2+

Dung dịch Cu2+ Dung dịch Zn2+Mẫu

Thời

gian

(phút)

Ci(mg/l) Cf

(mg/l)

q (mg/g)

H (%) Cf

(mg/l)

q (mg/g)

* Nhận xét: Khi thời gian khuấy tăng lên từ 50 phút ñến 150

phút thì tải trọng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ tăng lên nhanh theo

Từ thời gian 150 phút trở ñi thì tải trọng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ tăng lên không ñáng kể Do ñó thời gian khuấy là 150 phút ñối với cả 2 ion Cu2+ và Zn2+ ñược chọn cho các thí nghiệm tiếp theo

Lấy vào mỗi cốc 100ml dung dịch Cu2+ và Zn2+ nồng ñộ 20mg/l Điều chỉnh pH ở các dung dịch lần lượt là 2,0 ñến 9,0 ( sử dụng dung dịch HCl và NaOH ñể ñiều chỉnh pH) Cho vào mỗi cốc 1,0 gam silic ñioxit Khuấy ở nhiệt ñộ khoảng 30oc trong khoảng thời gian là 150 phút (thời gian khuấy tối ưu) Kết quả ñược trình bày ở bảng 3.8.

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của pH ñến quá trình hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+

H (%)

pH

C f

(mg/l)

q (mg/g)

H (%)

1 20 2,0 11,502 0,850 42,49 2,0 10,350 0,965 48,25

Hình 3.13 Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu 2+ và Zn 2+

* Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.8 và ñồ thị hình 3.13 ta thấy khi

pH tăng lên thì hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ tăng nhanh theo Đến pH bằng 7,0 thì hiệu suất hấp phụ và tải trọng hấp phụ dao ñộng không ñáng kể nên chúng tôi chọn pH bằng 7,0 cho các quá trình hấp phụ tiếp theo Đồng thời ta thấy sự hấp phụ Zn2+ của Silic ñioxit phụ thuộc nhiều vào pH

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ rắn – lỏng ñến quá trình hấp

Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng SiO2/thể tích dung dịch ñược khảo sát trong ñiều kiện: nồng ñộ Cu2+, Zn2+ 20 mg/l, pH = 7,0, thời gian khuấy 150 phút, nhiệt ñộ 30oC Tỉ lệ khối lượng SiO2/thể tích dung dịch thay ñổi từ 0,4 ÷ 3,0 g/100 ml Kết quả sự phụ thuộc của

q (mg/g)

H (%)

q (mg/g)

H (%)

Hình 3.15 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn lỏng ñến hiệu suất hấp phụ bể

Cu2+ và Zn2+

* Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.9 và ñồ thị 3.15 ta nhận thấy

khi tăng khối lượng của silic ñioxit từ 0,4 ñến 1,6 gam ñối với dung dịch Cu2+ và từ 0,4 gam ñến 2,0 gam ñối với các dung dịch Zn2+ thì hiệu suất hấp phụ tăng theo và tải trọng hấp phụ giảm xuống Và từ khối lượng ñó trở ñi thì hiệu suất hấp phụ thay ñổi không ñáng kể nữa nên chúng tôi chọn tỉ lệ rắn lỏng 1,6 gam SiO2/100ml dung dịch

Cu2+ nồng ñộ 20mg/l và 2 gam SiO2/100ml dung dịch Zn2+ nồng ñộ 20mg/l cho các quá trình hấp phụ tiếp theo

trình hấp phụ bể

Bảng 3.10 trình bày kết quả ảnh hưởng của nồng ñộ Cu2+,

Zn2+ ñến quá trình hấp phụ ở ñiều kiện: thời gian khuấy 150 phút, nồng ñộ SiO2 1,6g/ 100 ml cho hấp phụ Cu2+ và 2,0 g/100 ml cho hấp phụ Zn2+, nhiệt ñộ 30oC Nồng ñộ Cu2+, Zn2+ thay ñổi từ 5,0 ÷

q (mg/g)

Cf/q (g/l)

H (%)

Cf (mg/l)

q (mg/g)

Cf/q (g/l)

H (%)

Hình 3.16 Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến tải trọng

Kết quả ñược trình bày trong hình 3.18

Hình 3.18 Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir ñối với ion

Cu2+ và Zn2+ trong hấp phụ bể

* Nhận xét: Kết quả ở hình 3.18 cho thấy ñại lượng hấp phụ

C /q của Cu2+ và Zn2+ lên silic ñioxit trong hấp phụ bể tăng dần theo

chiều tăng nồng ñộ ñầu của ion kim loại Dựa vào phương trình ñẳng nhiệt: y = 0,5596x + 0,1207 ta tính ñược tải trọng hấp phụ cực ñại

Cu2+ của silic ñioxit trong hấp phụ bể là qmax = 1,787 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 4,636 và dựa vào phương trình ñẳng nhiệt: y = 0,5477x + 0,2113 ta tính ñược tải trọng hấp phụ cực ñại Zn2+ của silic ñioxit trong hấp phụ bể là qmax = 1,826 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 2,592 Như vậy, tải trọng hấp phụ cực ñại Cu2+ và Zn2+ của silic ñioxit trong hấp phụ bể tương ñối cao và ái lực hấp phụ mạnh

3.6 Nghiên cứu khả năng hấp phụ cột của silic ñioxit ñối với ion

Cu2+ và Zn2+

3.6.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc ñộ dòng ñến quá trình hấp phụ

Hình 3.19 Cột nhồi Silic ñioxit trong hấp phụ cột

Cột nhồi dùng cho hấp phụ ion Cu2+ ñược nhồi 1,6 gam Silic ñioxit (tỉ lệ rắn lỏng tối ưu trong hấp phụ bể) và cột nhồi dung cho hấp phụ Zn2+ ñược nhồi 2 gam Silic ñioxit (tỉ lệ rắn lỏng tối ưu trong hấp phụ bể)

Cho 100ml dung dịch Cu2+ và Zn2+ nồng ñộ 20mg/l, pH bằng 7,00 ( là pH tối ưu trong hấp phụ bể) chảy qua cột nhồi Silic ñioxit

với tốc ñộ dòng lần lượt là 2,00ml/ph; 1,00ml/ph; 0,67ml/ph; 0,50ml/ph; 0,40 ml/phút (tương ứng với thời gian khuấy 100ml dung dịch ion kim loại trong hấp phụ bể), hứng lấy dung dịch thu ñược trong bình tam giác 250ml rồi ñem xác ñinh nồng ñộ ta thu ñược kết quả theo bảng 3.11

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của tốc ñộ dòng ñến quá trình hấp phụ cột

Cu2+ và Zn2+

Dung dịch Cu2+ Dung dịch Zn2+ Mẫu V(ml/ph)

Ci(mg/l) Cf

(mg/l)

q (mg/g)

H (%)

C f

(mg/l)

q (mg/g)

H (%)

Hiệu suất hấp phụ ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.20

Hình 3.20 Ảnh hưởng của tốc ñộ dòng ñến quá trình hấp phụ cột

Cu2+ và Zn2+

* Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.12 và hình 3.16 ta thấy khi tốc

ñộ dòng chảy tăng lên thì hiệu suất hấp phụ giảm xuống Ở tốc ñộ

dòng 0,67ml/ph và nhỏ hơn thì hiệu suất hấp phụ tăng lên nhẹ Như vậy chúng tôi chọn tốc ñộ dòng chảy là 0,67ml/ph cho các quá trình hấp phụ cột tiếp theo

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến quá trình

Cf/q (g/l)

H (%)

Cf (mg/l)

q (mg/g)

Cf/q (g/l)

H (%)

Hình 3.22 Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến tải trọng

hấp phụ cột

* Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.13 và ñồ thị hình 3.22 ta thấy

khi nồng ñộ Cu2+ và Zn2+ tăng lên thì tải trọng hấp phụ tăng lên một cách gần như tuyến tính và hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ

Từ kết quả trên, xác ñịnh tải trọng hấp phụ cực ñại

Hình 3.23 Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir ñối với ion

Cu2+ và Zn2+ trong hấp phụ cột

* Nhận xét: Kết quả ở bảng 3.13 và hình 3.23 cho thấy ñại

lượng hấp phụ Cf/q của Cu2+ và Zn2+ lên silic ñioxit trong hấp phụ cột tăng dần theo chiều tăng nồng ñộ ñầu của ion kim loại Dựa vào phương trình ñẳng nhiệt: y = 0,3932x + 0,0407 ta tính ñược tải trọng