Luận văn Nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+ trong nước bằng vật liệu Sio2 tách từ vỏ trấu

1 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 TÁCH TỪ VỎ TRẤU Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ Mã số: 60 44 27 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đà Nẵng - Năm 2012 2 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. 3 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. 4 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 phụ ion kim loại nặng Cu2+ và Zn2+ trong nước bằng vật liệu SiO2 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). 5 - 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 1.2. Kim loại ñồng và kẽm 1.3. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ 1.4. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.Thiết bị, dụng cụ, hóa chất 2.2. Pha chế hóa chất 6 Thêm dung dịch HCl 4M Rửa bằng nước cất Sấy ở 1000c Nung ở 5500C Dung dịch Hỗn hợp dạng gel SiO2.nH2O SiO2 Tro trấu Vỏ trấu 1/ Rửa sạch, phơi khô 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+ 7 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xác ñịnh thành phần hóa học và một số ñặc tính hóa lý của vỏ trấu 3.1.1. Kết quả xác ñịnh thành phần hóa học của vỏ trấu Hình 3.1. Vỏ trấu. Kết quả xác ñịnh thành phần nguyên tố của vỏ trấu ñược trình bày ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Kết quả xác ñịnh thành phần nguyên tố của vỏ trấu Nguyên tố Phần trăm khối lượng (%) Nguyên tố Phần trăm khối lượng (%) C 30,68 Si 9,81 O 55,01 P 0,02 H 3,35 S 0,05 Mg 0,09 K 0,28 Al 0,58 Ca 0,15 * 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 8 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 (%) C 3.50 S 0.17 O 48.78 Cl 0.33 Na 0.11 K 3.08 Mg 0.35 Ca 0.93 Si 42.31 Mn 0.21 P 0.22 * 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 9 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0 1 2 3 4 5 6 7 Nồng ñộ NaOH (mol/l) Kh ố i l ư ợ n g Si lic dd io x xi t (g am ) (chiếm tới 91.09 %), nguyên tố cacbon trong quá trình nung ñã bị oxi hóa ñi một lượng lớn. Trong tro trấu lúc này chủ yếu chứa SiO2 với hàm lượng gần bằng 90.66 (%) thuận tiện cho việc tách SiO2 ra khỏi tro trấu. 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 vỏ trấu. Nồng ñộ NaOH (M) Khối lượng SiO2 (gam) Nồng ñộ NaOH (M) Khối lượng SiO2 (gam) 2 2,74 4,5 4,19 2,5 2,79 5 4,28 3 3,04 5,5 4,30 3,5 3,87 6 4,31 4 4,11 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 10 * 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 3.5. Hình 3.5. Silic ñioxit Kết quả xác ñịnh ñộ tinh khiết của SiO2 ñược trình bày ở bảng 3.6. Bảng 3.6. Kết quả xác ñịnh thành phần phần trăm nguyên tố trong silic ñioxit Nguyên tố O Na Si Cl 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 11 001 1.0 mm. Kết quả chụp ảnh SEM ñược trình bày ở hình 3.6. 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- 12 1 . 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 13 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 Cu2+ và Zn2+ 3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến quá trình hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ Lấy vào mỗi cốc 100ml dung dịch của Cu2+ và Zn2+ nồng ñộ 20mg/l, pH = 6,0. Cho vào mỗi cốc 1,0 gam silic ñioxit. Khuấy ñều trên máy khuấy từ ở nhiệt ñộ phòng (khoảng 30oC) trong các khoảng thời gian là 50 phút, 100 phút, 150 phút, 200 phút, 250 phút. Kết quả ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến quá trình hấp phụ ion Cu2+, Zn2+ trên SiO2 ñược trình bày ở bảng 3.7. 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) H (%) 1 50 20 2,733 1,727 86,34 5,780 1,422 71,10 2 100 20 2,235 1,777 88,83 4,770 1,523 76,15 3 150 20 1,916 1,808 90,42 3,728 1,627 81,36 4 200 20 1,904 1,810 90,48 3,688 1,631 81,56 5 250 20 1,900 1,810 90,50 3,680 1,632 81,60 Hiệu suất hấp phụ ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.11. 14 65 70 75 80 85 90 95 0 50 100 150 200 250 300 Thời gian khuấy (phút) Hi ệu su ất hấ p ph ụ (% ) Hiệu suất Cu Hiệu suất Zn Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ * 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. 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ñến quá trình hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ 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+ Dung dịch Cu2+ Dung dịch Zn2+ Mẫu Ci (mg/l) pH Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) pH Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 1 20 2,0 11,502 0,850 42,49 2,0 10,350 0,965 48,25 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 pH dung dịch Hi ệu su ấ t h ấp ph ụ (% ) Hiệu suất Cu Hiệu suất Zn 2 20 3,0 10,446 0,955 47,77 3,0 9,480 1,052 52,60 3 20 4,0 9,060 1,094 54,70 4,0 9,410 1,059 52,95 4 20 5,0 7,584 1,242 62,08 5,0 6,750 1,325 66,25 5 20 6,0 1,916 1,808 90,42 6,0 3,728 1,627 81,36 6 20 7,0 1,556 1,844 92,22 7,0 1,264 1,874 93,68 7 20 8,0 1,560 1,844 92,20 8,0 1,280 1,872 93,60 8 20 9,0 1,564 1,844 92,18 9,0 1,286 1,871 93,57 Hình 3.13. Ảnh hưởng của pH ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ * 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 phụ bể Cu2+ và Zn2+ 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 16 65 70 75 80 85 90 95 100 0 1 2 3 4 5 6 Khối lương Silic ñioxit (gam) Hi ệu su ấ t h ấp ph ụ (% ) Hiệu suất Cu Hiệu suât Zn hiệu suất và tải trọng hấp phụ Cu2+, Zn2+ vào nồng ñộ SiO2 ñược thể hiện ở bảng 3.9. Bảng 3.9. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn – lỏng ñến quá trình hấp phụ bể Cu2+và Zn2+ Dung dịch Cu2+ Dung dịch Zn2+ Mẫu Ci (mg/l) 2SiOm (gam) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 2SiOm (gam) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 1 20 0,4 5,887 3,528 70,57 0,4 3,919 4,020 80,41 2 20 0,8 4,275 1,966 78,63 0,8 2,397 2,200 88,02 3 20 1,2 1,156 1,570 94,22 1,2 0,664 1,611 96,68 4 20 1,6 0,914 1,193 95,43 1,6 0,636 1,210 96,82 5 20 2,0 0,912 0,954 95,44 2,0 0,424 0,979 97,88 6 20 2,5 0,910 0,764 95,45 2,5 0,424 0,783 97,88 7 20 3,0 0,910 0,764 95,45 3,0 0,420 0,653 97,90 Hiệu suất hấp phụ ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.15. Hình 3.15. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn lỏng ñến hiệu suất hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ 17 * 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. 3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến quá 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 ÷ 30 mg/l. Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến hấp phụ bể Dung dịch Cu2+ Dung dịch Zn2+ Mẫu Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) Cf/q (g/l) H (%) Cf (mg/l) q (mg/g) Cf/q (g/l) H (%) 1 5 0,013 0,312 0,042 99,75 0,033 0,248 0,133 99,34 2 10 0,123 0,617 0,199 98,77 0,191 0,490 0,390 98,09 3 15 0,234 0,923 0,254 98,44 0,312 0,734 0,425 97,92 4 20 0,914 1,193 0,766 95,43 0,424 0,979 0,433 97,88 5 25 1,423 1,474 0,965 94,31 0,818 1,209 0,677 96,73 6 30 1,779 1,764 1,009 94,07 1,242 1,438 0,864 95,86 Tải trọng ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.16. 18 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Nồng ñộ ion kiam loại (mg/l) Tả i t rọ n g hấ p ph ụ (m g/ g) Tải trọng Cu Tải trọng Zn y = 0.5477x + 0.2113 R2 = 0.9443 y = 0.5596x + 0.1207 R2 = 0.9563 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.5 1 1.5 2 Nồng ñộ ion kim loại còn lại Cf (mg/l) Đ ạ i l ư ợ n g hấ p ph ụ Cf /q (g/ l) Cf/q (Cu) Cf/q (Zn) Linear (Cf/q (Zn)) Linear (Cf/q (Cu)) Hình 3.16. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến tải trọng hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ * Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.10 và ñồ thị hình 3.16 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. 3.5. Phương trình ñẳng nhiệt hấp phụ 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 Cf/q của Cu2+ và Zn2+ lên silic ñioxit trong hấp phụ bể tăng dần theo 19 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 cột Cu2+ và Zn2+ 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 20 98.2 98.4 98.6 98.8 99 99.2 99.4 99.6 99.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Vận tốc dòng (ml/ph) Hi ệu su ất hấ p ph ụ (% ) H(%) Cu H(%) Zn 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 (%) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 1 0,40 20 0,092 1,244 99,54 0,058 0,997 99,71 2 0,50 20 0,097 1,244 99,52 0,060 0,997 99,70 3 0,67 20 0,105 1,243 99,48 0,062 0,997 99,69 4 1,00 20 0,271 1,233 98,65 0,136 0,993 99,32 5 2,00 20 0,317 1,230 98,41 0,223 0,989 98,88 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 21 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. 3.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến quá trình hấp phụ cột Cho 100ml dung dịch Cu2+ và Zn2+ nồng ñộ lần lượt là 5mg/l; 10mg/l; 15mg/l; 20mg/l; 25mg/l; 30mg/l có pH bằng 7,00 ( là pH tối ưu trong hấp phụ bể) chảy qua cột nhồi Silic ñioxit với tốc ñộ dòng 0,67ml/ph là tốc ñộ dòng tối ưu, hứng lấy dung dịch thu ñược trong bình tam giác 250ml rồi ñem xác ñinh nồng ñộ Cu2+ và Zn2+ ta thu ñược kết quả theo bảng 3.12. Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nồng ñộ ion Cu2+ và Zn2+ ñến quá trình hấp phụ cột Dung dịch Cu2+ Dung dịch Zn2+ Mẫu Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) Cf/q (g/l) H (%) Cf (mg/l) q (mg/g) Cf/q (g/l) H (%) 1 5 0,014 0,312 0,045 99,72 0,008 0,250 0,032 99,84 2 10 0,033 0,623 0,053 99,67 0,023 0,499 0,046 99,77 3 15 0,058 0,934 0,062 99,61 0,041 0,748 0,055 99,73 4 20 0,104 1,244 0,084 99,48 0,062 0,997 0,062 99,69 5 25 0,186 1,551 0,120 99,26 0,148 1,243 0,119 99,41 6 30 0,243 1,860 0,131 99,19 0,189 1,491 0,127 99,37 Tải trọng hấp phụ ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.22. 22 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Nồng ñộ ion kim loại (mg/l) Tả i t rọ n g hấ p ph ụ (m g/ g) Tải trọng Cu Tải trọng Zn y = 0.5383x + 0.0312 R2 = 0.9836 y = 0.3932x + 0.0407 R2 = 0.9883 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Nồng ñộ ion kim loại còn lại Cf (mg/l) Đ ại lư ợ n g hấ p ph ụ Cf /q (g/ l) Cf/q (g/l) Cu Cf/q (g/l) Zn Linear (Cf/q (g/l) Zn) Linear (Cf/q (g/l) Cu) 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 23 hấp phụ cực ñại Cu2+ của silic ñioxit trong hấp phụ cột là qmax = 2,543 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 9,662 và dựa vào phương trình ñẳng nhiệt: y = 0,5383x + 0,0312 ta tính ñược tải trọng hấp phụ cực ñại Zn2+ của silic ñioxit trong hấp phụ cột là qmax = 1,858 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 17,250. Như vậy, tải trọng hấp phụ cực ñại Cu2+ và Zn2+ của silic ñioxit trong hấp phụ cột khá cao và ái lực hấp phụ mạnh. 3.7. Nghiên cứu khả năng tái hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ của Silic ñioxit Lấy vào mỗi cốc 100ml Cu2+ và Zn2+ nồng ñộ 20mg/l. Điều chỉnh pH bằng 7,00 (pH tối ưu). Cho vào mỗi cốc 1,6 gam silic ñioxit ñối với dung dịch Cu2+ và 2,0 gam Silic ñioxit ñối với dung dịch Zn2+. Khuấy trên máy khuấy từ ở nhiệt ñộ phòng (khoảng 30oc) trong khoảng thời gian là 150 phút (thời gian khuấy tối ưu). Lọc lấy nước lọc ñi xác ñịnh nồng ñộ ion. Phần rắn còn lại ñem giải hấp bằng HCl 4M, thời gian khuấy là 150 phút (bằng thời gian hấp phụ), lọc lấy phần rắn và rửa bằng nước cất ñến môi trường trung tính và tiếp tục ñem hấp phụ lần 2 và lần 3 theo những thao tác như trên ta ñược kết quả theo bảng 3.13 sau: Bảng 3.13. Kết quả tái hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ của Silic ñioxit. Dung dịch Cu2+. Dung dịch Zn2+. Mẫu Số lần hâp phụ Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 1 Lần 1 20 0,912 1,193 95,44 0,422 0,979 97,89 2 Lần 2 20 0,926 1,192 95,37 0,580 0,971 97,10 3 Lần 3 20 2,470 1,096 87,65 0,694 0,965 96,53 Hiệu suất hấp phụ ñược thể hiện trong ñồ thị hình 3.24 và 3.25 sau 24 86 88 90 92 94 96 98 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Số lần hấp phụ Hi ệu su ấ t h ấp ph ụ (% ) H (%) Cu Zn (%) Zn Hình 3.25. Đồ thị kết quả hiệu suất hấp phụ trong tái hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ của Silic ñioxit * Nhận xét: Nhìn vào bảng 3.11 và hình 3.25 ta thấy khi tái sử dụng Silic ñioxit thì tải trọng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ giảm xuống. Tuy nhiên với lần 2, lần 3 thì hiệu suất vẫn cao nên có thể coi Silic ñioxit là một vật liệu hấp phụ tốt và có thể tái sử dụng nhiều lần. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu thu ñược ñã trình bày ở trên, chúng tôi ñi ñến một số kết luận sau: 1.1. Xác ñịnh ñược một số ñặc tính hóa lý của vỏ trấu và tro trấu - Xác ñịnh ñược thành phần của vỏ trấu, tro trấu: thành phần của vỏ trấu chủ yếu là các nguyên tố C, O,H và Si (98,85%) trong ñó có 9,81% Silic ñioxit và thành phần của tro trấu chủ yếu là 2 nguyên tố Si và O (91,09%) trong ñó có 42,31 % Si. - Xác ñịnh ñược ñộ ẩm của vỏ trấu là 8,96%, hàm lượng tro của vỏ trấu là 10,32%. 1.2. Xác ñinh ñược quy trình tách Silic ñioxit từ vỏ trấu và một số ñặc tính hóa lý của Silic ñioxit 25 - Xác ñinh quy trình tách Silic ñioxit từ vỏ trấu và nồng ñộ NaOH tối ưu cho quá trình tách Silic ñioxit từ vỏ trấu là 5M. - Xác ñinh ñược ñộ tinh khiết của Silic ñioxit tách ra là 88,84 (%) - Xác ñinh ñược một số ñặc tính của Silic ñioxit tách ra bằng cách chụp ảnh SEM, ño phổ hồng ngoại (IR), ño phổ nhiễu xạ XRD, ño BET. 1.3. Xác ñịnh ñược ảnh hưởng của các yếu tố ñến quá trình hấp phụ bể Cu2+ và Zn2+ Đối với quá trình hấp phụ bể Cu2+ : thời gian khuấy tối ưu là 150 phút; pH tối ưu là 7,00; tỉ lệ rắn lỏng tối ưu là 1,6 gam SiO2/100ml dung dịch Cu2+ 20mg/l. Và khi sử dụng ñồng thời các ñiều kiện trên thiếu hiệu suất hấp phụ là 95,43 (%). Tải trọng hấp phụ cực Cu2+ của silic ñioxit trong hấp phụ bể là qmax = 1,787 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 4,636. - Đối với quá trình hấp phụ bể Zn2+ : thời gian khuấy tối ưu là 150 phút; pH tối ưu là 7,00; tỉ lệ rắn lỏng tối ưu là 2 gam SiO2/100ml dung dịch Zn2+ 20mg/l. Và khi sử dụng ñồng thời các ñiều kiện trên thiếu hiệu suất hấp phụ là 97,88 (%). Tải trọng hấp phụ cực Zn2+ của silic ñioxit trong hấp phụ bể là qmax = 1,826 (mg/g) và ái lực hấp phụ b = 2,592. 1.4. Xác ñịnh ñược ảnh hưởng của các ñiều kiện ñến quá trình hấp phụ cột Cu2+ và Zn2+ + Đối với quá trình hấp phụ cột Cu2+ thì vận tốc dòng tối ưu là 0,67ml/phút, pH =7,00; nồng ñộ dung dịch Cu2+ thì hiệu suất hấp phụ là 99,48 (%). Tải trọng hấp phụ cực ñại qmax = 2,543 và ái lực hấp phụ b = 9,662. Cao hơn so với hấp phụ bể. 26 + Đối với quá trình hấp phụ cột Zn2+ thì vận tốc dòng tối ưu là 0,67ml/phút, pH = 7,00; nồng ñộ dung dịch Zn2+ thì hiệu suất hấp phụ là 99,69 (%). Tải trọng hấp phụ cực ñại qmax = 1,858 và ái lực hấp phụ b = 17,250. Cao hơn so với hấp phụ bể. 1.5. Xác ñinh ñược khả năng tái hấp phụ của Silic ñioxit ñối với các ion kim loại Cu2+ và Zn2+ Khả năng tái hấp phụ của Silic ñioxit ñối với các ion kim loại Cu2+ và Zn2+ là rất cao, có thể tái sử dụng vật liệu này nhiều lần. 2. Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ của Silic ñioxit ñối với các ion kim loại nặng khác ñể xử lí ô nhiễm môi trường nước. Khảo sát khả năng hấp phụ kim loại nặng của tro trấu từ ñó sử dụng cho hợp lí tro trấu hay là Silic ñioxit tách ra từ tro trấu ñể giảm chi phí. Đi sâu vào nghiên cứu khả năng hấp phụ cột của Silic ñioxit do hiệu suất hấp phụ cột của Silic ñioxit ñối với các ion kim loại nặng rất cao.