Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía và thăm dò xử lí môi trường

mg/ngày). Tuy nhiên, ngộ độc mangan vẫn có thể xảy ra, gây rối loạn hoạt động thần kinh với biểu hiện rung giật kiểu Parkinson. Cũng có một số trường hợp ngộ độc mangan là do nguồn nước uống bị ô nhiễm nặng mangan do rò rỉ từ bãi chôn pin, ắc quy vào nguồn nước sinh hoạt, uống thuốc có chứa mangan liều cao và kéo dài, hoặc do tắm hơi nước khoáng có nhiều mangan thường xuyên [1,9,13,16]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 13 - 1.1.5. Niken Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hoá chất, luyện kim, điện tử, … Vì vậy, nó thường có mặt trong nước thải. Niken vào cơ thể chủ yếu qua con đường hô hấp, nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu; nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan thận; còn nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng,…[1,9,13,16]. Bảng 1.1. Nồng độ giới hạn của một số kim loại trong nước thải công nghiệp và nước cấp sinh hoạt. [12] Stt Tên chỉ tiêu Giá trị giới hạn (mg/l) Nước thải công nghiệp Nước cấp sinh hoạt 1 Hàm lượng chì 0,10 0,01 2 Hàm lượng crom 0,05 0,05 3 Hàm lượng đồng 2,00 1,00 4 Hàm lượng mangan 0,50 0,50 5 Hàm lượng niken 0,20 0,10 1.2. Quá trình hấp phụ 1.2.1. Hiện tượng hấp phụ Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ; còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ. Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2,7,11]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 14 - 1.2.1.1. Hấp phụ vật lý Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ không lớn [2,7,11]. 1.2.1.2. Hấp phụ hóa học Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…). Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol. Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối, vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học [2,7,11]. 1.2.2. Hấp phụ trong môi trường nước Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước , chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 15 - Trong nước, các ion kim loại bị bao bọc bởi một lớp vỏ các phân tử nước tạo nên các ion bị hidrat hoá. Bán kính (độ lớn) của lớp vỏ hidrat ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do lớp vỏ hidrat là yếu tố cản trở tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng điện tích thì ion có kích thước lớn sẽ hấp phụ tốt hơn do có độ phân cực lớn hơn và lớp vỏ hidrat nhỏ hơn. Với các ion có điện tích khác nhau, khả năng hấp phụ của các ion có điện tích cao tốt hơn nhiều so với ion có điện tích thấp. Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH. Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ [2,7,11]. 1.2.3. Động học hấp phụ Trong môi trường nước, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt của chất hấp phụ, vì vậy quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau: • Các chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch. • Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các hệ mao quản - Giai đoạn khuếch tán màng. • Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ - Giai đoạn khuếch tán trong mao quản. • Các phân tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình hấp phụ [2,7,10,11]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 16 - 1.2.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng. Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f (T, P hoặc C) (1.1) Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P hoặc C (q = fT(P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lí số liệu thực nghiệm [2,7,11]. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng 1.2. Bảng 1.2. Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng [11] Đường đẳng nhiệt hấp phụ Phương trình Bản chất sự hấp phụ Langmuir . 1 .m v b p v b p = + Vật lí và hóa học Henry .v k p= Vật lí và hóa học Freundlich 1. n v k p= , (n>1) Vật lí và hóa học Shlygin-Frumkin-Temkin 1 ln .o v C p v am = Hóa học Brunauer-Emmett-Teller (BET) ( ) ( )11 . . .o m m o Cp p v p p v C v C p - = + - Vật lí, nhiều lớp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 17 - Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, vm là thể tích hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, op là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ. Các kí hiệu , , ,a b k n là các hằng số. Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP đối với một số ion kim loại nặng trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết: 1) Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định. 2) Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân. 3) 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. Phương trình Langmuir xây dựng cho hệ hấp phụ khí - rắn có dạng: m v b.p v 1+ b.p = (1.2) Trong đó: - v, vm lần lượt là thể tích chất bị hấp phụ, thể tích chất bị hấp phụ cực đại. - p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí. - b là hằng số. Tuy vậy, phương trình này cũng có thể áp dụng được cho quá trình hấp phụ trong môi trường nước. Khi đó có thể biểu diễn phương trình Langmuir như sau: cb cb max K.C q = q 1+ K.C (1.3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 18 - Trong đó: - Ccb là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng. - q, qmax lần lượt là dung lượng hấp phụ và dung lượng hấp phụ cực đại. - K là hằng số Langmuir. Khi nồng độ chất bị hấp phụ là rất nhỏ (K.C << 1) ta có: q = qmax.K.C. Như vậy, dung lượng hấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ chất bị hấp phụ. Khi nồng độ chất bị hấp phụ càng lớn (K.C >> 1) thì q ® qmax. Tức, dung lượng hấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi khi tăng nồng độ chất bị hấp phụ. Khi đó bề mặt chất hấp phụ đã được bão hòa bởi một đơn lớp các phân tử chất bị hấp phụ. Phương trình (1.3) chứa hai thông số là qmax và hằng số K. Dung lượng hấp phụ cực đại qmax có một giá trị xác định tương ứng với số tâm hấp phụ còn hằng số K phụ thuộc cặp tương tác giữa chất hấp phụ, chất bị hấp phụ và nhiệt độ. Từ các số liệu thực nghiệm có thể xác định qmax và hằng số K bằng phương pháp tối ưu hay đơn giản là bằng phương pháp đồ thị. Với phương pháp đồ thị, phương trình (1.3) được viết thành: cb cb max max C 1 1 .C q q .K q = + (1.4) Từ số liệu thực nghiệm vẽ đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q theo cb C . Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb có dạng như ở hình 1.1 và hình 1.2. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 19 - Từ đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb dễ dàng tính được qmax và hằng số K ( max 1 OM K.q = ; max 1 tgα q = ). Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng đơn giản, cho phép giải thích khá thỏa đáng các số liệu thực nghiệm [2,7,11]. 1.3. Giới thiệu về vật liệu hấp phụ - bã mía Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thuận lợi cho ngành mía đường phát triển. Niên vụ sản xuất mía đường 2006 - 2007, diện tích mía cả nước là 310,067ha, sản lượng mía thu hoạch đạt khoảng 17 triệu tấn. Theo quy hoạch phát triển mía đường đến năm 2010, sản lượng đường sản xuất trong cả nước phấn đấu đạt 1,5 triệu tấn [22, 23]. Phát triển sản xuất mía đường là một định hướng đúng đắn. Tuy nhiên, các nhà máy sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ bã mía. Theo tính toán của các nhà khoa học, việc chế biến 10 triệu tấn mía để làm đường sinh ra một lượng phế thải khổng lồ: 2,5 triệu tấn bã mía. Trước đây 80% lượng bã mía này được dùng để đốt lò hơi trong các nhà máy sản xuất đường, sinh ra 50.000 tấn tro [22]. Tuy là phế thải nhưng trong tro và bã bùn lại có O a M cb C q Ccb q O Ccb Hình 1.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 20 - nhiều chất hữu cơ. Các chất này sau sẽ là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và ô nhiễm nguồn nước rất nặng. Bã mía cũng có thể được dùng làm bột giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, cao hơn là làm ra furfural là nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp. Trong tương lai khi mà rừng ngày càng giảm, nguồn nguyên liệu làm bột giấy, làm sợi từ cây rừng giảm đi thì bã mía là nguyên liệu quan trọng để thay thế. Bã mía chiếm khoảng 26,8 - 32% lượng mía ép. Trong bã mía chứa trung bình khoảng 50% là nước, 48 ÷ 49% là xơ (trong đó chủ yếu là xenlulozơ và hemixenlulozơ) 1 ÷ 2% là đường [14,21]. Tùy theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía mà các thành phần hoá học có trong bã mía khô (xơ) có thể biến đổi. Hàm lượng % các thành phần hoá học chính của bã mía được chỉ ra trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Thành phần hoá học của bã mía [14] Thành phần % khối lượng Xenlulozơ 40 ÷ 50 Hemixenlulozơ 20 ÷ 25 Lignin 18 ÷ 23 Chất hoà tan khác (tro, sáp, protein, …) 3 ÷ 5 Xenlulozơ: Xenlulozơ là polisaccarit do các mắt xích α -glucozơ [C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết 1,4-glicozit. Phân tử khối của xenlulozơ rất lớn, khoảng từ 10000 – 150000u. Hemixenlulozơ: Về cơ bản, hemixenlulozơ là polisaccarit giống như xenlulozơ, nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn. Hemixenlulozơ thường bao gồm nhiều loại mắt xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl. Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin giữ vai trò là chất kết nối giữa xenlulozơ và hemixenlulozơ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 21 - Sự phân bố xenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin trong bã mía được chỉ ra trong hình 1.3. Hình 1.3. Hình ảnh các thành phần hoá học chính của bã mía [22] Với thành phần chính là xenlulozơ và hemixenlulozơ, bã mía có thể biến tính để trở thành vật liệu hấp phụ tốt. Trên thế giới đã có một số nhà khoa học nghiên cứu biến tính bã mía để làm vật liệu hấp phụ xử lí môi trường, như các nhà khoa học ở Braxin, Ấn Độ, Malaixia,…[19,20]. Ở nước ta cũng đã có những công trình nghiên cứu sử dụng bã mía làm vật liệu hấp phụ, tuy nhiên những nghiên cứu đó mới chỉ ở dạng sử dụng bã mía thô [3]. Trong đề tài này chúng tôi chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía bằng cách dùng anhydrit succinic để hoạt hóa bã mía. Lignin Hemixenlulzơ Xenlulozơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 22 - 1.4. Một số phƣơng pháp định lƣợng kim loại Có nhiều phương pháp khác nhau được dùng để định lượng các kim loại. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp thể tích để định lượng chì và đồng; phương pháp trắc quang để định lượng crom, niken và mangan. 1.4.1. Phương pháp thể tích Phân tích thể tích là phương pháp phân tích định lượng dựa trên sự đo thể tích của dung dịch thuốc thử đã biết chính xác nồng độ (dung dịch chuẩn) cần dùng để phản ứng hết với chất cần xác định có trong dung dịch cần phân tích. Dựa vào thể tích và nồng độ của dung dịch chuẩn đã dùng để tính ra hàm lượng chất cần xác định có trong dung dịch phân tích. Dựa theo bản chất của phản ứng chuẩn độ, phương pháp phân tích thể tích được phân loại làm các loại sau: - Phương pháp chuẩn độ axit – bazơ (Phương pháp trung hòa). - Phương pháp chuẩn độ kết tủa. - Phương pháp chuẩn độ tạo phức. - Phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử. Để định lượng Cu 2+ và Pb 2+ chúng tôi sử dụng phương pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử là EDTA. EDTA (axit etylen điamintetraaxetic, H4Y) là thuốc thử được ứng dụng rộng rãi trong phương pháp chuẩn độ tạo phức . Phương pháp chuẩn độ sử dụng EDTA làm thuốc thử được gọi là phương pháp chuẩn độ complexon. Người ta thường dùng EDTA dưới dạng muối đinatri Na2H2Y, thường gọi là complexon III (nhưng vẫn quen quy ước là EDTA). EDTA tạo phức bền với các cation kim loại và trong hầu hết các trường hợp phản ứng tạo phức xảy ra theo tỉ lệ 1:1. n+ 4- (n-4)M Y Y+  (1.5) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 23 - Các phép chuẩn độ complexon thường tiến hành khi có mặt các chất tạo phức phụ để duy trì pH xác định nhằm ngăn ngừa sự xuất hiện kết tủa hidroxit kim loại. Để xác định điểm dừng trong chuẩn độ complexon, người ta thường dùng một số loại thuốc thử như: eriocrom đen T (ET-OO), murexit, 1-(2- piridinazo) 2- naphtol (PAN), 4-(2-piridinazo) rezoxin (PAR ),…[4,6,17]. 1.4.1.1. Nguyên tắc của phép chuẩn độ định lượng chì bằng EDTA Pb 2+ tạo phức bền với EDTA ở pH trung tính hoặc kiềm, song cũng rất dễ thủy phân, do đó trước khi tăng pH ta cho Pb 2+ tạo phức với tactrat rồi mới tiến hành chuẩn độ, chỉ thị là ET-OO [4,6,15,17]. 1.4.1.2. Nguyên tắc của phép chuẩn độ định lượng đồng bằng EDTA Dựa trên phản ứng tạo phức bền của Cu 2+ với EDTA: 2 2 2 2 2 2 4 2 4 + - - +Cu +H Y CuY +2H + - -CuH Ind +H Y CuY +H Ind   Chỉ thị là murexit 1% trong NaCl, pH =8 [4,6,15,17]. 1.4.2. Phương pháp trắc quang 1.4.2.1. Nguyên tắc Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X. Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer- Lambert-Beer. Biểu thức của định luật: oIA lg εLC I = = (1.6) Trong đó: - Io, I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 24 - - L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua. - C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. - ε là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới ( ( )ε = f λ ). Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng. ( )A = f λ,L,C (1.7) Do đó, nếu đo A tại một bước sóng λ nhất định với cuvet có bề dày L xác định thì đường biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x là một đường thẳng. Tuy nhiên, do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch (bước sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H + , sự có mặt của các ion lạ) nên đồ thị trên không có dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Và biểu thức 1.6 có dạng: ( ) b xλ A = k.ε.L. C (1.8) Trong đó: - Cx: nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. - k: hằng số thực nghiệm. - b: hằng số có giá trị 0 < b 1£ . Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx. Khi Cx nhỏ thì b = 1, khi Cx lớn thì b < 1. Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet có bề dày xác định thì ε = const và L = const. Đặt K = k.ε.L ta có: b λ A = K.C (1.9) Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-Vis, thì luôn có một giá trị nồng độ giới hạn Co xác định, sao cho: - Với mọi giá trị Cx < Co: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là tuyến tính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 25 - - Với mọi giá trị Cx > Co: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi C x tăng) và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là không tuyến tính. Phương trình (1.8) là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ hấp thụ quang phân tử UV-Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm, với các chất có phổ hấp thụ UV-Vis càng nhạy, tức giá trị e của chất đó càng lớn thì giá trị nồng độ giới hạn Co càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp [5,17]. 1.4.2.2. Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang Có nhiều phương pháp khác nhau để định lượng một chất bằng phương pháp trắc quang. Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phương pháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu, phương pháp cân bằng màu bằng mắt… Các phương pháp này đơn giản, không cần máy móc đo phổ nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của chất cần định lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của các chất nào đó xem có đạt hay không. Các phương pháp phải sử dụng máy quang phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm, phương pháp vi sai,… Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp đường chuẩn để định lượng các cation kim loại. Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = k.(Cx) b về nguyên tắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1). Tiến hành đo độ hấp thụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 26 - quang A của dãy dung dịch chuẩn đó. Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo được dựng đồ thị A = f(C), đồ thị A = f(C) gọi là đường chuẩn. Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện giống như khi xây dựng đường chuẩn. Đo độ hấp thụ quang A của chúng với điều kiện đo như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùng bước sóng) được các giá trị Ax. Áp các giá trị Ax đo được vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị nồng độ Cx tương ứng [5]. 1.4.2.3. Định lượng Cr(VI), Ni 2+ , Mn 2+ bằng phương pháp trắc quang a) Định lượng Cr(VI) Trong môi trường axit, Cr(VI) phản ứng với 1,5-diphenylcacbazit tạo thành một phức chất màu tím đỏ thích hợp cho việc định lượng Cr(VI) theo phương pháp trắc quang. Hàm lượng Cr(VI) được xác định theo cường độ hấp thụ màu của phức chất ở bước sóng λ = 540nm với cuvet 1cm [12,17]. b) Định lượng Ni 2+ Ion Ni 2+ trong môi trường amoniac yếu có mặt chất oxy hóa mạnh sẽ tạo thành với dimetylgyoxim một phức màu đỏ, cường độ màu tỉ lệ với nồng độ niken. Phương pháp này có thể áp dụng để xác định niken trực tiếp ở nồng độ từ 0,2÷5,0mg/l. Độ hấp thụ màu của phức được đo ở bước sóng λ = 520nm , cuvet 1cm [12,17]. c) Định lượng Mn 2+ Dùng kali pesunfat và chất xúc tác là ion Ag + trong môi trường axit để oxi hóa Mn 2+ đến MnO4 - . Hàm lượng MnO4 - được xác định bằng phương pháp trắc quang với máy trắc quang vùng UV-Vis ở bước sóng λ = 540nm với cuvet 1cm [12,17]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 27 - CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 2.1. Thiết bị, hóa chất 2.1.1. Thiết bị - Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV 1700 Phamaspec (Shimadzu - Nhật Bản), máy quang phổ hồng ngoại IR Prestige 21 (Shimadzu - Nhật Bản). - Máy lắc, máy nghiền bi, máy khuấy từ, máy đo pH, tủ sấy, cân điên tử bốn số,… - Bộ sohxlet thuỷ tinh; các loại pipet, buret, bình tam giác, cốc, bình định mức; chén sứ… 2.1.2. Hóa chất Các hóa chất được dùng là các hóa chất có độ tinh khiết phân tích hoặc tinh khiết hóa học. 2.1.2.1. Chuẩn bị các dung dịch gốc [8,12] a) Dung dịch Cr(VI) 1000mg/l: Hòa tan 2,8285g K2Cr2O7 (đã sấy khô ở 100 0 C) trong nước cất sau đó định mức đến 1000ml. b) Dung dịch Ni 2+ 1000mg/l: Hoà tan 4,9533g Ni(NO3)2.6H2O trong 20ml dung dịch HNO3 10%, đun nhẹ cho tan hết, định mức tới vạch. c) Dung dịch Mn 2+ 1000mg/l: Hòa tan 2,7480g MnSO4 (đã nung ở 500 o C) trong 10ml axit sunfuric 1:4. Thêm nước cất đến 1000ml. d) Dung dịch Pb 2+ 0,01M: Hòa tan 3,3121g trong 20ml dung dịch HNO3 10% đun nhẹ cho tan hết, cho vào bình định mức 1000ml thêm nước cất tới vạch. e) Dung dịch Cu 2+ 0,01M: Hòa tan 2,4160g Cu(NO3)2.3H2O vào nước rồi cho vào bình định mức 1000ml, thêm nước tới vạch. Các dung dịch có nồng độ thấp hơn được pha chế từ dung dịch gốc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 28 - 2.1.2.2. Chuẩn bị các chất chỉ thị, thuốc thử [8,12] a) Dung dịch 1,5-diphenylcacbazit 0,1% trong rượu etylic: Hòa tan 0,5g 1,5-diphenylcacbazit trong 100ml rượu etylic 95 0 , cho vào bình định mức 500ml, thêm nước tới vạch. Đựng dung dịch trong bình thủy tinh màu và bảo quản trong tủ lạnh. b) Dung dịch dimetylgyoxim 1,2%: Hòa tan 1,2g dimetylgyoxim tinh khiết trong axeton và pha thêm nước cất đến 1000 ml. c) Dung dịch AgNO3 10%: Hoà tan 104g AgNO3 trong nước cất, cho vào bình định mức 1000ml, thêm nước cất đến vạch. d) Dung dịch K2S2O8 bão hòa: Hòa tan K2S2O8 trong 1000ml nước cất đến khi K2S2O8 thêm vào không tan được nữa, lọc lấy phần dung dịch. e) Dung dịch EDTA 0,01M: Hòa tan 1,8612g EDTA trong nước cất, cho vào bình định mức 500ml, thêm nước cất đến vạch. Bảo quản trong bình thủy tinh màu nâu. f) Thuốc thử eriocrom T đen (ET-OO) 0,02% trong NaCl: Trộn đều 0,02g ET-OO trong 9,98g NaCl khan. g) Dung dịch kali natri tartrat 1M: Hòa tan hoàn toàn 28,222g KNaC4H4O6.4H2O trong nước, cho vào bình định mức 100ml và định mức tới vạch. 2.2. Chế tạo và khảo sát một số đặc trƣng cấu trúc của vật liệu hấp phụ 2.2.1. Chế tạo vật liệu hấp phụ Bã mía được xử lí sơ bộ bằng cách ngâm trong nước cất 3 - 4 giờ, rửa sạch sau đó sấy khô ở 100 0 C trong 24 giờ. Bã mía khô được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi, rây và rửa bằng nước cất nóng trong 1giờ, sấy khô ở 100 0 C. Cuối cùng bột bã mía được rửa bằng hệ dung môi n-hexan : etanol (1:1) trên hệ thống sohxlet trong 4 giờ, sấy khô thu được nguyên liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 29 - Tiếp theo nguyên liệu được hoạt hoá bằng anhydrit succinic trong môi trường pyridin. Rửa nguyên liệu thu được lần lượt bằng rượu etylic 95 0 , nước cất cuối cùng là rượu etylic 95 0 ; lọc, sấy ở 80 0 C trong 30 phút. Nguyên liệu thu được tiếp tục được trộn với dung dịch NaHCO3 bão hòa, khuấy đều trong 30 phút; lọc, rửa lần lượt bằng nước cất, rượu etyilic 95 0 chúng tôi thu được vật liệu hấp phụ (VLHP) [19]. 2.2.2. Một số đặc trưng cấu trúc của VLHP 2.2.2.1. Phổ hồng ngoại của VLHP Cấu trúc của VLHP được phân tích qua phổ hồng ngoại của VLHP và so sánh với phổ hồng ngoại của nguyên liệu. Kết quả được chỉ ra ở hình 2.1 và hình 2.2. Hình 2.1. Phổ hồng ngoại của nguyên liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 30 - Hình 2.2. Phổ hồng ngoại của VLHP So sánh phổ hồng ngoại của nguyên liệu bã mía trước và sau khi xử lí bằng anhydrit succinic thành VLHP cho thấy có sự dịch chuyển các đỉnh hấp thụ 1728,66cm -1 , 1711,30cm -1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm cacbonyl C = O (hình 2.1) sang các đỉnh 1724,80cm -1 , 1713,23cm -1 (hình 2.2) với cường độ mạnh hơn. Điều này chứng tỏ anhydrit succinic đã acrylat hóa nhóm hydroxyl của bã mía tạo ra một liên kết este và giải phóng một nhóm chức axit cacboxylic [19]. 2.2.2.2. Ảnh SEM của VLHP Để khảo sát đặc điểm bề mặt của VLHP, chúng tôi đã tiến hành chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt của VLHP và nguyên liệu. Kết quả thu được được chỉ ra trong hình 2.3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 31 - (a) Nguyên liệu (b) VLHP Hình 2.3. Ảnh SEM của VLHP và nguyên liệu Qua ảnh SEM của VLHP và nguyên liệu có thể thấy bề mặt VLHP xốp hơn nhiều so với bề mặt của nguyên liệu 2.3. Định lƣợng các kim loại 2.3.1. Dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) Chuẩn bị 6 bình định mức dung tích 50ml, đánh số từ 0 đến 5 và lần lượt cho vào mỗi bình các dung dịch theo bảng 2.1. Bảng 2.1. Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) Mẫu Dung dịch (ml) 0 1 2 3 4 5 Dung dịch Cr(VI) chuẩn 2mg/l 0,0 0,5 1,0 5,0 10,0 25,0 H2SO4 1:1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 H3PO4 đặc 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 1,5-diphenylcacbazit 0,1% 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Nước cất tới vạch Lắc đều các bình định mức, để yên 10 phút rồi đo độ hấp thụ quang A của dãy dung dịch chuẩn ở bước sóng λ = 540nm với cuvet 1cm. Từ độ hấp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 32 - thụ quang đo được dựng đường chuẩn xác định Cr(VI). Kết quả được chỉ ra ở bảng 2.2 và hình 2.4. Bảng 2.2. Số liệu dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) Stt Nồng độ (mg/l) Độ hấp thụ quang A 1 0,02 0,002 2 0,04 0,013 3 0,20 0,088 4 0,40 0,203 5 1,00 0,504 Hình 2.4. Đường chuẩn xác định Cr(VI) 2.3.2. Dựng đường chuẩn xác định Ni 2+ Lấy 6 bình định mức dung tích 100ml, đánh số từ 0 đến 5 và lần lượt cho vào mỗi bình các dung dịch theo bảng 2.3. Bảng 2.3. Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Ni 2+ Mẫu Dung dịch (ml) 0 1 2 3 4 5 Dung dịch Ni 2+ chuẩn 1mg/l 0,0 2,5 5,0 10,0 20,0 50,0 Nước brom bão hoà 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 Amoniac 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 Dimetylgyoxim 1,2% trong axeton 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 Nước cất tới vạch Đo độ hấp thụ quang A của dãy dung dịch trên với cuvet 1cm ở bước sóng λ = 520nm . Từ đại lượng độ hấp thụ quang đo được dựng đường chuẩn xác định Ni 2+ . Kết quả được chỉ ra ở bảng 2.4 và hình 2.5. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 33 - Bảng 2.4. Số liệu dựng đường chuẩn xác định Ni2+ Stt Nồng độ (mg/l) Độ hấp thụ quang A 1 0,025 0,002 2 0,050 0,006 3 0,100 0,063 4 0,200 0,133 5 0,500 0,346 Hình 2.5. Đường chuẩn xác định Ni2+ 2.3.3. Dựng đường chuẩn xác định Mn 2+ Lấy 6 bình định mức dung tích 100ml, đánh số từ 0 đến 5 và lần lượt cho vào mỗi bình các dung dịch theo bảng 2.5. Bảng 2.5. Thứ tự các dung dịch dựng đường chuẩn xác định Mn 2+ Mẫu Dung dịch (ml) 0 1 2 3 4 5 Dung dịch Mn 2+ chuẩn 5 mg/l 0,0 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 Nước cất 50,0 49,5 49,0 48,0 45,0 40,0 Axit sunfuric đặc 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Bạc nitrat 10% 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Kali pesunfat bão hòa 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 Nước cất tới vạch Lắc đều mỗi khi thêm các dung dịch, để yên 45 phút rồi tiến hành đo độ hấp thụ quang A tại bước sóng λ = 540nm với cuvet 1cm. Từ độ hấp thụ quang đo được dựng đường chuẩn xác định Mn 2+ . Kết quả được chỉ ra ở bảng 2.6 và hình 2.6. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 34 - Bảng 2.6. Số liệu dựng đường chuẩn xác định Mn2 + Stt Nồng độ (mg/l) Độ hấp thụ quang A 1 0,02 0,006 2 0,05 0,016 3 0,10 0,030 4 0,20 0,066 5 0,30 0,098 Hình 2.6. Đường chuẩn xác định Mn2+ 2.3.4. Định lượng Pb 2+ Dùng pipet lấy chính xác 10ml dung dịch Pb 2+ vào bình tam giác dung tích 250ml. Thêm 20ml nước cất, 5ml dung dịch KNaC4H4O6 1M, lắc đều rồi thêm 5ml dung dịch đệm amoni và một ít chỉ thị ET-OO. Đun nóng nhẹ đến khoảng 50 0 C và tiến hành chuẩn độ Pb 2+ bằng EDTA 0,01M. Chuẩn độ đến khi dung dịch chuyển từ màu đỏ sang màu xanh thì ngừng chuẩn độ. Ghi thể tích EDTA đã chuẩn độ. Nồng độ Pb 2+ (mol/l) được tính theo công thức: 2+ EDTA 0,01.V C Pb 10 = (2.1) 2.3.5. Định lượng Cu 2+ Dùng pipet lấy chính xác 10ml dung dịch Cu 2+ cần xác định vào bình tam giác dung tích 100ml. Thêm 5ml dung dịch NH4Cl 5% và dùng dung dịch NH3 1N chỉnh pH dung dịch đến 8. Chuẩn độ Cu 2+ bằng EDTA 0,01M cho đến khi dung dịch chuyển từ màu vàng nhạt sang màu tím thì ngừng chuẩn độ. Ghi số ml EDTA đã chuẩn độ. Nồng độ Cu 2+ (mol/l) được tính theo công thức: 2+ EDTA 0,01.V C Cu 10 = (2.2) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 35 - 2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP Lấy 6 bình tam giác dung tích 100ml, cho vào 3 bình mỗi bình 0,5g VLHP và 3 bình còn lại, mỗi bình 0,5g nguyên liệu; thêm vào mỗi bình 50ml dung dịch chứa ion kim loại có nồng độ xác định. Tiến hành lắc trên máy lắc trong 120 phút, lọc thu lấy phần dung dịch. Xác định nồng độ ion kim loại còn lại trong dung dịch. Dung lượng hấp phụ q (mg/g) và hiệu suất hấp phụ H (%) của VLHP và nguyên liệu đối với mỗi kim loại được xác định theo công thức: ( )o ocb cbC -C .50 C -Cq 1000.0,5 10 = = (2.3) o cb o C -C H .100 C = (2.4) Trong đó: Co, Ccb là nồng độ của ion ban đầu và sau khi hấp phụ (mg/l). Các kết quả được chỉ ra trong bảng 2.7. Bảng 2.7. So sánh khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với Cr(VI), Ni 2+ , Mn 2+ , Pb 2+ và Cu 2+ Ion Nguyên liệu VLHP Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) q (mg/g) Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) q (mg/g) Cr(VI) 105,00 83,13 20,83 2,19 105,20 39,00 62,93 6,62 Ni 2+ 100,00 33,54 66,46 6,65 100,40 1,67 98,34 9,87 Mn 2+ 97,05 70,05 27,82 2,70 97,00 11,86 87,77 8,51 Pb 2+ 2380,50 2297,70 3,48 8,28 2380,50 2080,35 12,61 30,01 Cu 2+ 633,60 614,40 3,03 1,92 633,60 307,20 51,52 32,64 Kết quả bảng 2.7 cho thấy cả nguyên liệu và VLHP đều có khả năng hấp phụ các ion kim loại: Cr(VI), Ni 2+ , Mn 2+ , Pb 2+ và Cu 2+ . Tuy nhiên, so sánh dung lượng hấp phụ cũng như hiệu suất hấp phụ của VLHP và nguyên liệu đối với mỗi ion kim loại chúng tôi nhận thấy khả năng hấp phụ của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 36 - VLHP tốt hơn nguyên liệu rất nhiều. Điều này phù hợp với những kết quả được chỉ ra ở mục 2.2.2 về một số đặc trưng cấu trúc của VLHP. 2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của VLHP 2.5.1. Ảnh hưởng của thời gian Lấy 7 bình tam giác dung tích 100ml, đánh số từ 1 đến 7 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,5g VLHP và 50ml dung dịch chứa ion kim loại có nồng độ xác định. Tiến hành sự hấp phụ trong các khoảng thời gian khác nhau: từ 10 ¸ 120 phút với Cr(VI), Pb 2+ , Ni 2+ và từ 5 ¸ 90 phút với Mn 2+ , Cu 2+ . Xác định nồng độ của ion kim loại còn lại sau mỗi khoảng thời gian đó. Các kết quả được chỉ ra trong bảng 2.8, hình 2.7. Bảng 2.8. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Ion Thời gian (phút) Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) q (mg/g) (1) (2) (3) (4) (5) (6) Cr(VI) 10 240,00 107,00 55,42 13,30 20 240,00 101,50 57,71 13,85 30 240,00 96,00 60,00 14,40 45 240,00 97,00 59,58 14,30 60 240,00 96,50 59,79 14,35 90 240,00 94,00 60,83 14,60 120 240,00 94,00 60,83 14,60 Ni 2+ 10 168,40 4,08 97,58 16,43 20 168,40 3,38 97,99 16,47 40 168,40 4,00 97,62 16,53 60 168,40 2,86 98,30 16,56 80 168,40 2,80 98,34 16,56 100 168,40 2,80 98,34 16,56 120 168,40 2,78 98,35 16,56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 37 - (1) (2) (3) (4) (5) (6) Mn 2+ 5 88,00 21,70 75,34 6,63 10 88,00 11,30 87,16 7,67 20 88,00 10,80 87,73 7,72 30 88,00 10,70 87,84 7,73 45 88,00 10,00 88,64 7,80 60 88,00 10,00 88,64 7,80 90 88,00 9,60 89,09 7,84 Pb 2+ 10 2691,00 2359,80 12,31 33,12 20 2691,00 2318,40 13,85 37,26 40 2691,00 2256,30 16,15 43,47 60 2691,00 2173,50 19,23 51,75 80 2691,00 2173,50 19,23 51,75 100 2691,00 2173,50 19,23 51,75 120 2691,00 2173,50 19,23 51,75 Cu 2+ 5 633,60 458,88 27,61 17,6 10 633,60 311,68 50,84 32,21 20 633,60 300,80 52,53 33,28 30 633,60 298,88 52,69 33,39 45 633,60 302,08 52,36 33,17 60 633,60 300,80 52,53 33,28 90 633,60 300,80 52,53 33,28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 38 - 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 80 100 120 140 Thời gian (phút) q ( mg /g) Cr(VI) Ni2+ Mn2+ Pb2+ Cu2+ 2+ 2+ 2+ 2+ Hình 2.7. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời gian Từ các kết quả ở bảng 2.8 và hình 2.7, chúng tôi thấy: - Với Cr(VI): Trong khoảng thời gian khảo sát (10÷120 phút), từ 10 đến 90 phút đầu dung lượng hấp phụ Cr(VI) của VLHP tăng nhanh, từ 90 phút trở đi dung lượng hấp phụ tăng chậm và tương đối ổn định. Do đó, chúng tôi cho rằng thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Cr(VI) là 90 phút và chọn khoảng thời gian này để nghiên cứu tiếp theo đối với Cr(VI). - Với Ni2+: Trong khoảng thời gian khảo sát (10÷120 phút) dung lượng hấp phụ của VLHP đối với Ni 2+ thay đổi không nhiều (16,43÷16,56mg/g). Tuy nhiên, chúng tôi thấy sau 60 phút dung lượng hấp phụ là tương đối ổn định. Do đó, chúng tôi cho rằng thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Ni 2+ là 60 phút và chọn khoảng thời gian này để nghiên cứu tiếp theo đối với Ni 2+ . - Với Mn2+: Trong khoảng thời gian khảo sát (5÷90 phút), từ 45 phút trở đi dung lượng hấp phụ Mn 2+ của VLHP tăng chậm và tương đối ổn định. Do đó, chúng tôi cho rằng thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Mn 2+ là 45 phút và chọn khoảng thời gian này để nghiên cứu tiếp theo đối với Mn 2+ . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 39 - - Với Pb2+: Trong khoảng thời gian khảo sát (10÷120 phút), từ 10 đến 60 phút đầu dung lượng hấp phụ của VLHP đối với Pb 2+ tăng nhanh, từ 60 phút trở đi dung lượng hấp phụ tăng chậm và tương đối ổn định. Do đó, chúng tôi cho rằng thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Pb 2+ là 60 phút và chọn khoảng thời gian này để nghiên cứu tiếp theo đối với Pb 2+ . - Với Cu2+: Trong khoảng thời gian khảo sát (5÷90phút), từ 5 đến 10 phút đầu dung lượng hấp phụ Cu 2+ của VLHP tăng nhanh, từ 10 đến 20 phút tiếp theo dung lượng hấp phụ tăng chậm và sau 20 phút dung lượng hấp phụ Cu 2+ là tương đối ổn định. Do đó, chúng tôi cho rằng thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với Cu 2+ là 20 phút và chọn khoảng thời gian này để nghiên cứu tiếp theo đối với Cu 2+ . Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với mỗi ion kim loại được chỉ ra ở bảng 2.9. Bảng 2.9. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối với mỗi ion kim loại Ion Cr(VI) Ni 2+ Mn 2+ Pb 2+ Cu 2+ Thời gian đạt cân bằng (phút) 90 60 45 60 20 Qua bảng 2.9 chúng ta thấy với mỗi ion thời gian đạt cân bằng hấp phụ là khác nhau. Điều này hoàn toàn hợp lý bởi khả năng hấp phụ của VLHP với mỗi ion là khác nhau. Ngoại trừ Cr(VI) tồn tại ở dạng anion, các ion Ni 2+ , Mn 2+ , Pb 2+ và Cu 2+ tuy có cùng điện tích nhưng có kích thước khác nhau nên tương tác giữa chúng với các tâm hấp phụ trên bề mặt VLHP là khác nhau. 2.5.2. Ảnh hưởng của pH Lấy 5 bình tam giác dung dịch 100ml, đánh số từ 1 đến 5 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,5g VLHP và 50ml dung dịch chứa ion kim loại có nồng độ xác định ở các giá trị pH khác nhau (Cụ thể: Cr(VI) từ 1,35÷7,33; Ni 2+ từ 1,47÷6,24; Pb 2+ từ 1,00÷4,94; Cu 2+ từ 1,80÷5,21). pH của các dung dịch được Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 40 - điều chỉnh bằng dung dịch HNO3 10% hoặc dung dịch NaOH 0,1N. Tiến hành sự hấp phụ trong khoảng thời gian cân bằng đối với mỗi ion đã xác định được ở mục 2.5.1, xác định nồng độ của ion còn lại trong dung dịch. Các kết quả thu được được chỉ ra trong bảng 2.10 và hình 2.8. Bảng 2.10. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ion pH Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) q (mg/g) Cr(VI) 1,35 223,00 98,00 56,05 12,50 2,21 223,00 105,00 52,91 11,80 3,00 223,00 106,20 52,38 11,68 4,34 223,00 110,79 50,32 11,22 5,07 223,00 111,00 50,22 11,20 6,21 223,00 105,91 52,91 11,80 7,33 223,00 113,00 49,33 11,00 Ni 2+ 1,47 184,80 16,43 91,11 16,84 2,40 184,80 8,87 95,20 17,59 4,06 184,80 4,44 97,60 18,04 5,10 184,80 3,70 98,00 18,11 6,24 184,80 7,11 96,15 17,77 Pb 2+ 1,00 2670,30 2370,15 11,24 30,02 2,16 2670,30 2297,70 13,95 37,26 3,06 2670,30 2194,20 17,83 47,61 4,06 2670,30 2152,80 19,38 51,75 4,94 2670,30 2090,70 21,71 57,96 Cu 2+ 1,80 633,60 612,30 3,36 2,13 2,30 633,60 366,90 42,09 26,67 3,02 633,60 300,8 52,53 33,28 3,90 633,60 298,67 52,86 33,49 5,21 633,60 299,73 52,69 33,39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 41 - 0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 pH q ( mg /g) Cr(VI) Ni Pb Cu r( I) i 2+ 2+ 2+ Hình 2.8. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH dung dịch Các kết quả ở bảng 2.10 và hình 2.8 cho thấy khoảng pH tối ưu cho sự hấp phụ của VLHP đối với mỗi ion kim loại: Cr(VI) pH=1÷2; Ni 2+ pH=5÷6, Pb 2+ pH=4÷5 và Cu 2+ pH=4÷5. Riêng đối với Mn 2+ chúng tôi chỉ khảo sát ở khoảng pH từ 1÷2. 2.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ - Cân bằng hấp phụ 2.5.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ Lấy 5 bình tam giác dung tích 100ml, đánh số từ 1 đến 5 và lần lượt cho vào mỗi bình 0,5g VLHP và 50ml dung dịch chứa ion kim loại với các nồng độ khác nhau xác định (Cụ thể: Cr(VI) từ 102,00÷739,00 mg/l; Ni 2+ từ 56,00÷754,00mg/l; Mn 2+ từ 88,00÷450,00mg/l; Pb 2+ từ 252,54÷2424,60mg/l; Cu 2+ từ 60,80÷632,53mg/l). Tiến hành sự hấp phụ trong khoảng thời gian và pH tối ưu với mỗi ion kim loại đã xác định được ở mục 2.5.1 và 2.5.2, xác định nồng độ của ion kim loại còn lại trong dung dịch. Kết quả được chỉ ra trong bảng 2.11 và hình 2.9. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 42 - Bảng 2.11. Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ Ion Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) q (mg/g) Cr(VI) 102,00 38,30 62,45 6,37 184,00 86,50 52,99 9,75 326,00 157,50 51,69 16,85 398,00 202,00 49,25 19,60 739,00 442,00 40,19 29,70 Ni 2+ 56,00 0,38 99,32 5,56 192,00 11,60 93,96 18,04 293,00 22,74 92,24 27,03 412,00 61,00 85,19 35,10 754,00 162,00 78,51 59,20 Mn 2+ 88,00 7,40 91,59 8,06 185,00 16,60 91,03 16,84 260,00 24,60 90,54 23,54 375,00 37,60 89,97 33,74 450,00 59,30 86,82 39,07 Pb 2+ 252,54 182,16 27,87 7,04 606,51 459,54 24,23 14,70 1211,00 945,99 21,88 26,50 1800,90 1500,80 16,66 30,01 2442,60 2074,10 15,08 36,85 Cu 2+ 60,80 18,13 70,18 4,27 162,13 50,13 69,08 11,20 312,53 105,60 66,21 20,69 478,93 215,47 55,10 26,35 632,53 297,60 52,95 33,49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 43 - 0 10 20 30 40 50 60 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Nồng độ ban đầu Co (mg/l) q ( mg /g) Cr(VI) Ni Mn Pb Cu r( I) i 2+ 2+ Pb 2+ 2+ Hình 2.9. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào nồng độ ban đầu của các ion Các kết quả ở bảng 2.11 và hình 2.9 cho thấy trong khoảng nồng độ đã khảo sát với mỗi ion: Cr(VI) từ 102 đến 739mg/l; Ni 2+ từ 56 đến 754mg/l; Mn 2+ từ 88 đến 450mg/l; Pb 2+ từ 252,54 đến 2442,6mg/l; Cu 2+ từ 60,8 đến 632,53mg/l, khi tăng nồng độ, dung lượng hấp phụ của VLHP đối với các kim loại đều tăng; còn hiệu suất hấp phụ giảm dần. 2.5.3.2. Cân bằng hấp phụ Từ các kết quả thu được chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ với mỗi ion kim loại theo mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. a) Crom 0 5 10 15 20 25 30 35 0 100 200 300 400 500 Ccb (mg/l) q (m g/ g) Hình 2.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cr(VI) y = 0.0201x + 6.1641 R 2 = 0.956 0 5 10 15 20 0 100 2 300 400 500 Ccb (mg/l) C cb /q (g /l) Hình 2.11. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cr(VI) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 44 - b) Niken 0 10 20 30 40 50 60 70 0 50 100 150 200 Ccb (mg/l) q (m g/ g) Hình 2.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni2+ y = 0.0153x + 0.4165 R 2 = 0.9292 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 50 100 150 200 Ccb (mg/l) C cb /q (g /l) Hình 2.13. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni 2+ c) Mangan 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 80 Ccb (mg/l) q (m g/ g) Hình 2.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Mn2+ y = 0.0113x + 0.7887 R 2 = 0.9283 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 20 40 60 80 Ccb (mg/l) C cb /q (g /l) Hình 2.15. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Mn 2+ d) Chì 0 10 20 30 40 0 500 1000 1500 2000 2500 Ccb (mg/l) q (m g/ g) Hình 2.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Pb2+ y = 0.0165x + 22.774 R 2 = 0.9779 0 10 20 30 40 50 60 0 1000 2000 3000 Ccb (mg/l) C cb /q ( g/ l) Hình 2.17. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Pb 2+ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 45 - e) Đồng 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 250 300 350 Ccb(mg/g) q (m g/ l) Hình 2.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu2+ y = 0.0184x + 3.6563 R 2 = 0.9635 0 2 4 6 8 10 10 200 300 400 Ccb (mg/l) C cb /q ( g/ l) Hình 2.19. Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cu 2+ Từ mô hình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với mỗi kim loại, chúng tôi tính được các giá trị dung lượng hấp phụ cực đại qmax và các hệ số Langmuir K với mỗi kim loại: Bảng 2.12. Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir Ion Cr(VI) Ni 2+ Mn 2+ Pb 2+ Cu 2+ Dung lượng hấp phụ cực đại qmax (mg/g) 49,75 65,36 88,50 60,61 54,35 Hằng số Langmuir K 0,0033 0,0367 0,0143 0,0007 0,0050 2.6 . Thử xử lí nƣớc thải chứa Cr(VI) Mẫu nước được lấy tại bể thải của phân xưởng mạ điện, xí nghiệp mạ điện quân đội chưa qua xử lí. Nước thải được lấy và bảo quản theo đúng TCVN 4574-88. - Dụng cụ lấy mẫu: chai polyetylen sạch. - Mẫu lấy xong được cố định bằng 5ml HNO3 đặc. Lấy ba bình tam giác dung tích 100ml, đánh số các bình từ 1 đến 3, cho vào mỗi bình 50ml nước thải và 0,5g VLHP. Tiến hành hai lần sự hấp phụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 46 - trong các điều kiện thời gian và pH tối ưu cho sự hấp phụ Cr(VI) đã xác định được. Xác định nồng độ Cr(VI) còn lại trong dung dịch. Kết quả thu được: - Nồng độ Cr(VI) trong nước thải: 326mg/l. - Nồng độ Cr(VI) còn lại sau một lần hấp phụ: 303mg/l. Giảm 7,06% so với nồng độ ban đầu. - Nồng độ Cr(VI) còn lại sau hai lần hấp phụ: 290mg/l. Giảm 11,04% so với nồng độ ban đầu. Như vậy, sau hai lần hấp phụ kết quả cho thấy VLHP có khả năng tách loại Cr(VI) trong nước thải và nếu tiến hành liên tiếp nhiều lần thì có thể làm giảm hàm lượng Cr(VI) trong nước thải tới giới hạn cho phép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 47 - KẾT LUẬN 1. Đã chế tạo được VLHP từ bã mía và khảo sát một số đặc điểm cấu trúc và bề mặt của VLHP. 1.1. Khảo sát cấu trúc VLHP qua phổ hồng ngoại của VLHP cho thấy các phân tử anhydrit succinic đã este hóa các nhóm hydroxyl trên bã mía. 1.2. Khảo sát đặc điểm bề mặt của VLHP qua ảnh SEM cho thấy bã mía sau khi hoạt hóa có cấu tạo xốp hơn so với bã mía khi chưa hoạt hóa. 2. Đã khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu và VLHP đối với Cr(VI), Ni 2+ , Mn 2+ , Pb 2+ và Cu 2+ . Kết quả cho thấy cả nguyên liệu và VLHP đều hấp phụ được các ion kim loại này trong dung dịch. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của VLHP đối với các ion kim loại này là tốt hơn nhiều so với nguyên liệu. 3. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự hấp phụ của VLHP đối với Cr(VI), Ni 2+ , Mn 2+ , Pb 2+ và Cu 2+ . Kết quả thu được cho thấy: 3.1. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ: - Cr(VI): 90 phút. - Ni 2+ : 60 phút. - Mn 2+ : 45 phút. - Pb 2+ : 60 phút. - Cu 2+ : 20 phút. 3.2. Khoảng pH tối ưu: - Đối với Pb 2+ và Cu 2+ : pH=4÷5. - Đối với Ni 2+ : 5÷6. - Đối với Cr(VI) : 1÷2. 3.3. Nồng độ ban đầu: Trong các khoảng nồng độ đã khảo sát với các ion kim loại, khi nồng độ ion kim loại tăng dung lượng hấp phụ của VLHP đối với các ion kim loại tăng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 48 - 4. Xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với Cr(VI), Ni 2+ , Mn 2+ , Pb 2+ và Cu 2+ . Cụ thể dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với các ion kim loại là: - Cr(VI): 49,75mg/g. - Ni 2+ : 65,36mg/g. - Mn 2+ : 88,50mg/g. - Pb 2+ : 60,61mg/g. - Cu 2+ : 54,35mg/g. 5. Đã thử xử lí một mẫu nước thải chứa Cr(VI) của nhà máy mạ điện quân đội. Kết quả cho thấy VLHP có khả năng tách loại Cr(VI) trong môi trường nước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 49 - DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Hoàng Ngọc Hiền, Lê Hữu Thiềng, “Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Ni 2+ trong môi trường nước trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía và ứng dụng vào xử lí môi trường”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên, số 2 (46), tập 2, năm 2008, trang 118 – 121. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 50 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Lê Huy Bá (chủ biên) (2000), Độc học môi trường, Nxb ĐH Quốc gia TP. HCM 2. Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lí nước và nước thải, Nxb Thống kê, Hà Nội. 3. Trịnh Ngọc Châu, Triệu Thị Nguyệt, Vũ Đăng Độ (2001), “Nghiên cứu khả năng sử dụng một số phụ phẩm nông nghiệp để hấp thụ một số ion kim loại nặng trong nước thải”, Tuyển tập các công trình khoa học, Hội nghị khoa học lần thứ hai - ngành Hoá học, trường ĐH Quốc gia Hà Nội. 4. Nguyễn Tinh Dung (2002), Hóa học phân tích, phần III: Các phương pháp định lượng hoá học, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 5. Trần Tứ Hiếu (2003), Phân tích trắc quang phổ hấp thụ UV-Vis, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. 6. Trần Tứ Hiếu (2004), Hóa học phân tích, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. 7. Nguyễn Đình Huề (1982), Giáo trình hóa lí, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 8. P.P. Koroxtelev (1974), Chuẩn bị dung dịch cho phân tích hoá học (Người dịch: Nguyễn Trọng Biểu, Mai Hữu Đua,…), Nxb Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội. 9. Hoàng Nhâm (2001), Hóa vô cơ tập ba, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 10. Trần Văn Nhân, Hồ Thị Nga (2005), Giáo trình công nghệ xử lí nước thải, Nxb Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội. 11. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (1998), Hóa lí tập II, Nxb Giáo dục, Hải Phòng. 12. Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 5945-2005, TCVN 5502-2003, TCVN 4573- 88, TCVN 4574-88, TCVN 4577-88, TCVN 4578-88. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 51 - 13. Trịnh Thị Thanh (2001), Độc học, môi trường và sức khoẻ con người, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội. 14. Hồ Sĩ Tráng (2005), Cơ sở hoá học gỗ và xennluloza, tập 1, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 15. Lâm Minh Triết, Diệp Ngọc Sương (2000), Các phương pháp phân tích kim loại trong nước và nước thải, Nxb Khoa học và kĩ thuật, Tp Hồ Chí Minh. 16. Nguyễn Đức Vận (2004), Hóa vô cơ tập 2: Các kim loại điển hình, Nxb Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội. Tiếng Anh 17. David Harvey (2000), Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill, The United States of America.. 18. Jaakko Paasivirta (1991), Chemical E toxicalog, Lewis Publishers. 19. Osvaldo Karnitz Jr, L.V.A. Gurgel, J.C.P. de Melo, V.R. Botaro, T.M.S. Melo, R.P.de Freitas Gil and L.F. Gil (2007), “Adsorption of heavy metal ion from aqueous single metal solution by chemically modified sugarcane bagasse”, Bioresource Technology, 98, 1291-1297. 20. Umesh K. Garg and Dhiraj Sud (2005), “Optimization of process parameters for removal of Cr(VI) from aqueous solutions using modified sugarcane bagasse”, Electronic Journal of Environmental, Agricultural and Food Chemistry, 4(6), 1150-1160. 21. Yong-Jae Lee (2005), “Oxidation of sugarcane bagasse using a combination of hypochlorite and peroxide”, B.Sc., Chonnam National University. Các trang web 22. 23.