Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu 2+ , Ni 2+ của than bùn Việt Yên - Bắc Giang

Đỗ Trà Hương Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71(9): 63 - 67 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu2+, Ni2+ CỦA THAN BÙN VIỆT YÊN - BẮC GIANG Đỗ Trà Hương* Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy than bùn Việt Yên - Bắc Giang sau khi được hoạt hóa bằng H2SO4 đặc, xử lý, kết dính bằng dung dịch poly vinylancol (PVA) và anđêhit focmic, cho thấy độ xốp đã tăng hơn nhiều so với than bùn chưa hoạt hóa. Đã khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và khả năng hấp phụ của than bùn Việt Yên - Bắc Giang sau khi hoạt hóa đối với Ni2+, Cu2+ bằng phương pháp hấp phụ tĩnh như ảnh hưởng của nồng độ, pH, thời gian. Tính được dung lượng hấp phụ cực đại của than bùn theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với Ni2+ là 15,6495 mg/g, đối với Cu2+ là 10,4932 mg/g. Từ khóa: hấp phụ, polyvinylancol, andehyt focmic, vật liệu, than bùn.  MỞ ĐẦU Các ion kim loại nặng như Cu2+, Pb2+, Zn 2+...thường tìm thấy trong nước thải công nghiệp, gây độc hại nghiêm trọng cho sự sống dưới nước và trên mặt đất Để tiến hành phân tích, xác định và xử lý các kim loại nặng trong môi trường, đặc biệt trong môi trường nước có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, như: phương pháp hóa học, phương pháp sinh học hay phương pháp vật lý...Việc lựa chọn phương pháp xử lý môi trường phải dựa vào bốn tiêu chí là tính hiệu quả, tính kinh tế, thao tác đơn giản, dễ thực hiện. Chính vì vậy các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, giá thành rẻ đang thu hút sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học [1- 5]. Trong bài báo này chúng tôi tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ của than bùn sau khi đã hoạt hóa, xử lý, kết dính bằng PVA và anđêhit focmic với các ion Cu2+ và Ni2+. THỰC NGHIỆM Hóa chất và thiết bị Hóa chất - NiSO4. 6H2O, CuSO4. 5H2O, HNO3 1%, H2SO4 1M, NaOH 0,094N, HCl 0,1M, Polivinylancol ( PVA), Andehit fomic (HCHO), NaCl - Các hóa chất sử dụng để nghiên cứu đều có độ tinh khiết PA. Thiết bị dụng cụ  Tel: 0914273908 - Máy lắc, máy khuấy từ, máy đo pH, tử sấy, máy lọc hút chân không, máy đo phổ hấp thụ nguyên tử Themo - Anh và một số dụng cụ khác. Chế tạo than bùn Than bùn được lấy tại Việt Yên - Bắc Giang sau khi loại bỏ sơ bộ đất đá, rễ cây, vỏ cây khô, rửa sạch bằng nước cất để loại bỏ bớt huyền phù gây đục, đem phơi khô ngoài không khí một tuần sau đó nghiền nhỏ, rây cỡ hạt 200μm được than bùn khô và được bảo quản trong bình hút ẩm. 1- Quá trình xử lí than bùn bằng H2SO4 đặc: Cân 200g than bùn đã được rây nhỏ cùng kích cỡ, trộn đều với 100 ml H2SO4 đặc trong cốc thủy tinh có thể tích 1lit. Để hỗn hợp phản ứng trong 3 giờ ở nhiệt độ phòng. 2- Gel hóa than bùn bằng dung dịch polyvinylancol (PVA) và anđêhit focmic. Than bùn sau khi xử lý bằng dung dịch H2SO4 đặc cho thêm 300ml nước cất đun sôi, sau đó bổ xung đồng thời 100ml dung dịch PV 10% và 80ml dung dịch anđêhit focmic 37%. Hỗn hợp được tiến hành khuấy trộn đều đế khi “nhựa gel” than bùn - PVA được tạo thành. Sau đó tiến hành phá gel than bùn - PVA bằng 200ml nước và đun sôi. 3- Tạo nhựa than bùn - PVA. Hỗn hợp trên được bổ xung 100ml dung dịch PVA 5%, sau đó khuấy đều và đun sôi. Quá trình này được lặp lại 5 - 6 lần cho đến khi tạo được vật liệu nhựa than bùn -PVA. Các hạt nhựa than bùn -PVA được rửa bằng nước cất cho đến khi đạt pH = 5,6 ÷ 6,5, sau đó được làm khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 65 ÷ 5 0 trong 24h. Nhựa than bùn - PVA tạo Đỗ Trà Hương Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71(9): 63 - 67 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thành được cắt nhỏ và rây cỡ hạt 3mm để tiến hành các thí nghiệm. Để khảo sát đặc điểm bề mặt của than bùn sau khi đã được hoạt hóa, chúng tôi tiến hành nghiên cứu chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) bề mặt than bùn trước và sau khi hoạt hóa bằng PVA và anđêhit fomic trên thiết bị FESEM S-4800 của Viện Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả được chỉ ra trên hình 1 và 2.Qua ảnh SEM chụp bề mặt của than bùn trước và sau khi hoạt hóa cho thấy bề mặt than bùn sau khi hoạt hóa đã xốp hơn nhiều so với than bùn chưa được hoạt hóa. Hình 1. Ảnh SEM bề mặt than bùn chưa hoạt hóa Hình 2. Ảnh SEM bề mặt than bùn đã hoạt hóa Các thí nghiệm nghiên cứu - Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của than bùn - Khảo sát ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ Cu2+, Ni2+ của than bùn. - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến dung lượng hấp phụ Cu2+, Ni2+ của than bùn. - Khảo sát dung lượng hấp phụ cục đại của than bùn đối với Cu2+, Ni2+. Nồng độ của Cu2+, Ni2+ trước và sau khi hấp phụ được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có ngọn lửa (F-AAS) Dung lượng hấp phụ tính theo công thức: m V cb CC q ) 0 (   Trong đó: - V là thể tích dung dịch (l). - m là khối lượng chất hấp phụ (g). - C0 là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l). - Ccb là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l). - q là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g). Dung lượng hấp phụ cực đại được xác định theo phương trình hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính. cb cb max max C 1 1 .C q q q .b   Trong đó: - qmax là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) - K là hằng số Langmuir KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của than bùn Chuẩn bị các cốc thuỷ tinh 100ml, cho vào mỗi cốc 1g than bùn đã hoạt hóa và 50ml dung dịch Ni 2+ , Cu 2+ có nồng độ 50,820 mg/l và 50,261 mg/l (các nồng độ này đã được xác định lại bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử). Khuấy đều trong thời gian 10, 20, 30, 45, 60, 80 phút, ở nhiệt độ phòng với tốc độ không đổi 250 vòng/phút. Lọc lấy dung dịch, sau đó xác định lại nồng độ của Ni2+, Cu2+ sau hấp phụ tương ứng với thời gian khảo sát bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử FAAS. Kết quả được đưa ra ở hình 3. Trong khoảng thời gian khảo sát từ 10 - 80 phút nhận thấy: khi tăng thời gian từ 10 -30 phút thì hiệu suất hấp phụ Ni2+, Cu2+ của than bùn đều tăng. Đỗ Trà Hương Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71(9): 63 - 67 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ Ni2+, Cu2+ Từ 30-45 phút thì hiệu suất hấp phụ Cu2+của than bùn tăng rất chậm, hầu như không đáng kể, trong khi đó hiệu suất hấp phụ ion Ni2+ của than bùn vẫn tiếp tục tăng lên. Trong khoảng thời gian còn lại hiệu xuất hấp phụ của than bùn đối với cả hai ion này là khá ổn định. Như vậy, thời gian đạt cân bằng hấp phụ của Ni2+ là 45 phút, với Cu2+ là 30 phút. Các giá trị này được sử dụng ở các thí nghiệm tiếp theo. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của than bùn Dùng dung dịch NaOH 0,1M và H2SO4 0,1M để điều chỉnh pH của dung dịch Ni2+, Cu2+ có nồng độ lần lượt là 50,820 mg/l và 50,261 mg/l đến các giá trị pH khác nhau (các giá trị nồng độ này đã được xác định lại bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử FAAS). Hình 4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Cu2+ Chuẩn bị các cốc thuỷ tinh 100ml, cho vào mỗi cốc 1g than bùn đã hoạt hóa và 50ml dung dịch Ni 2+ , Cu 2+ có nồng độ như trên. Khảo sát quá trình hấp phụ ở các giá trị pH trên với thời gian hấp phụ là thời gian đạt cân bằng hấp phụ với mỗi loại than, ở nhiệt độ phòng, với tốc độ khuấy không đổi là 250 vòng/phút. Xác định lại nồng độ còn lại của ion Ni2+, Cu2+ trong dung dịch tương ứng với các giá trị pH đó. Kết quả được đưa ra ở hình 4, 5. Hình 5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Ni2+ Từ hình 4, 5 nhận thấy, khi pH tăng thì hiệu suất hấp phụ của than bùn đối với cả hai ion Ni2+, Cu 2+ đều tăng. Ở vùng pH thấp hiệu suất hấp phụ của than bùn đối với cả hai ion đều thấp, điều này được giải thích là do ở vùng pH thấp khả năng phân cực của các nhóm chức trên bề mặt than bùn là thấp, chúng phân ly kém nên khả năng hấp phụ của than bùn là thấp. Bề mặt than bùn được xem như bao gồm các vị trí hấp phụ tích điện và trung hòa điện tích, trong môi trường nước có mặt các ion kim loại nặng, các ion này có xu hướng hấp phụ lên các vị trí tích điện âm và thay thế các ion khác cũng như ion H + gắn trên các vị trí tích điện âm. Vì vậy, ở vùng pH thấp thì hầu như tất cả các vị trí tích điện âm đều được gắn bởi H+, nồng độ H+ ở môi trường ngoài cao khi đó các ion kim loại nặng khó bị hấp phụ lên các vị trí tích điện âm. Còn ở vùng pH cao hơn, khả năng phân cực của các nhóm chức trên bề mặt than bùn là tăng lên, do đó khả năng hấp phụ của than bùn cũng tăng lên. Tuy nhiên, ở pH gần bằng 6 bắt đầu xuất hiện kết tủa Ni(OH)2, còn với pH gần bằng 5 thì xuất hiện kết tủa của Cu(OH)2 trong dung dịch. Do vậy, đã lựa chọn pH hấp phụ tốt nhất đối với ion Ni 2+ là trong khoảng 5 đến 5,5 còn với ion Cu2+ là trong khoảng pH từ 4 đến 4,5. Các giá trị này được sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ của than bùn 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 20 40 60 80 100 t (phút ) H (% ) Cu Ni 0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7 pH H (% ) 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 pH H (% ) Đỗ Trà Hương Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71(9): 63 - 67 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thay đổi nồng độ của dung dịch Ni2+, Cu2+ theo thứ tự tăng dần, pH được điều chỉnh đến giá trị tại đó hiệu suất hấp phụ tốt nhất, thời gian mà cân bằng hấp phụ xảy ra, ở nhiệt độ phòng, tốc độ khuấy 250 vòng/phút không đổi. Sau đó xác định lại nồng độ còn lại của ion Ni2+, Cu2+ tương ứng với các nồng độ đã khảo sát. Kết quả được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất hấp phụ Cu 2+ Ni 2+ Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) Co (mg/l) Ccb (mg/l) H (%) 9,986 2,008 79,89 10,015 1,795 82,08 20,057 6,192 69,13 19,936 4,946 75,19 25,320 11,391 55,01 25,186 10,052 60,09 50,387 32,193 36,12 50,079 26,266 47,55 100,008 79,956 20,05 99,955 71,238 28,73 Từ bảng 1 nhận thấy khi tăng nồng độ trong khoảng nồng độ không lớn lắm thì hiệu suất hấp phụ ion Ni2+¸ và Cu2+ của than đều giảm. Điều này hoàn toàn phù hợp với lí thuyết Từ các kết quả đã khảo sát ở trên chúng tôi đã tiến hành khảo sát quá trình hấp phụ ion Cu2+, Ni2+ trên than bùn theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả thể hiện trên hình 6 và 7. Hình 6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Cu 2+ trên than bùn Hình 7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của Ni 2+ trên than bùn Từ các hình 6,7 xác định được các hằng số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả được thể hiện trên bảng 2. Bảng 2. Các hằng số Langmuir đối với ion Ni2+, và Cu2+ qmax (mg/g) b Ni2+ Cu2+ Ni2+ Cu2+ 15,6495 10,4932 0,1393 0,2349 KẾT LUẬN 1. Đã hoạt hoá được than bùn Việt Yên - Bắc Giang thông qua quá trình hoạt hoá, xử lý, và kết dính bằng PVA và anđêhit focmic. 2. Khảo sát bề mặt than bùn đã được hoạt hóa bằng kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy than bùn sau khi hoạt hoá có độ xốp cao. 3. Đã khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và khả năng hấp phụ của than bun Việt Yên - Bắc Giang đối với Ni2+và Cu2+ bằng phương pháp hấp phụ tĩnh. Kết quả thu được như sau: - Thời gian đạt cân bằng hấp phụ với các ion Ni 2+ và Cu 2+ lần lượt là 45 phút và 30 phút. - pH hấp phụ tốt nhất đối với Ni2+ trên than bùn là từ 5 ÷ 5.5; đối với ion Cu2+ là 4 ÷ 4.5. - Khi tăng nồng độ dung dịch Ni2+, Cu2+ thì hiệu suất hấp phụ đều giảm. - Sự hấp phụ các ion Ni2+ và Cu2+ của than bùn đã hoạt hóa, được mô tả khá tốt theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Điều này thể hiện qua hệ số hồi quy của phương trình đối với ion Ni2+ là 0,9933, đối với ion Cu2+ là 0,9988. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir đã xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của than bùn Việt Yên - Bắc Giang đối với các ion Ni2+ là 15,6495 mg/g và Cu2+ là 10,4932 mg/g. TÀI LIỆU THAM KHẢO y = 0.0953x + 0.3987 R 2 = 0.9988 0 2 4 6 8 10 0 0 40 60 80 100 Ccb (mg/l) Cc b/q (g /m g Đỗ Trà Hương Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71(9): 63 - 67 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên [1]. Ngô Thị Mai Việt, Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Chu Đình Bính. (2008). Đánh giá khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên đá ong biến tính. Tạp chí Phân tích, hóa, lý và sinh học Tập 13, số 3, pp 15-21. [2]. Lê Hữu Thiềng, Hoàng Ngọc Hiền (2008). Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ và Pb2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía, Tạp chí Phân tích, hóa, lý và sinh học Tập 13, số 3, pp 77-82. [3]. E. Erdem, N. karapinar, R. Dogar, R. Bayrak, M. Acikyldiz, and M, Yalcin (2004). The removad of heavy metal cation by natural zeolites, Journal of Colloid and Interface Sience 280, pp 309-314. [4]. Tivette Vaughan, Chung W. seo and Wayne, E. Mashall. (2001). Remove of selected metal ions from solution using modified corncobs. Bioresource Technology, Volume 82, issue 3, pp 274-251. [5]. Shaobin Wang, Z. H. Zhu, Anthony Coomes. F Haghseresht, G. Q. Lu. (2004). The physical and suface chemical characteristics of activated carbons and the adsortion of metylene blu from waste water. Journal of Colloid and Interface Sience 284, pp 400-446. SUMMARY STUDY ON Cu 2+ AND Ni 2+ ADSORPTION CAPACITY OF VIETYEN - BAC GIANG PEAT WAT Do Tra Huong College of Education – Thai Nguyen University Peat wat found in Viet Yen - Bac Giang had been treated by H2SO4 and then by polyvinylancol (PVA) and formic aldehyde to make adsorbed materials. SEM pictures show that sponginess of peat wat had increased after treatment. Metallic ions (Cu2+, Ni2+) adsorption of the materials had been studied using stable adsorption process. Values of maximum adsorption capacity of the materials are 10.4932 mg/g and 15.6495 mg/g on Ni2+ and on Cu2+ respectively had been calculated. Key word: Adsortion, polyvinylancol, formic andehyt, peat wat, material.  Tel: 0914273908