Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

======
LÊ THỊ HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Ni(II) CỦA THAN CACBON HÓA TỪ
VỎ CÀ PHÊ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường
Người hướng dẫn khoa học

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI - 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


======
LÊ THỊ HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
Ni(II) CỦA THAN CACBON HÓA TỪ
VỎ CÀ PHÊ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường
Người hướng dẫn khoa học

ThS. ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI - 2018


KHÓA LUẬN TỐT
NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
2

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Đỗ
Thủy Tiên – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp hướng dẫn và
giúp đỡ em hoàn thành bản khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóa
học đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dưới
mái trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọi
điều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập.
Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản khóa luận này
không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy,
cô giáo cũng như toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoàn thiện
hơn.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hồng Nhung

SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG

LỚP: K40B-SP HÓA


KHÓA LUẬN TỐT
NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
2

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS. Đỗ
Thủy Tiên.
Các số liệu và những kết quả đo được trong khóa luận là trung thực, do
cá nhân em tiến hành thí nghiệm.
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hồng Nhung

SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG

LỚP: K40B-SP HÓA


KHÓA LUẬN TỐT
NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

VLHP

Vật liệu hấp phụ.

IR

Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared (IR)
spectroscopy).

TOC

Tổng lượng cacbon hữu cơ.

SEM

Phương pháp điện tử quét SEM.

TN

Thí nghiệm

SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG

LỚP: K40B-SP HÓA


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................. 3
1.1. Giới thiệu về nguyên tố Niken ................................................................... 3
1.1.1.Tính chất vật lí, hóa học của Niken ......................................................... 3
1.1.2. Công dụng của Niken.............................................................................. 3
1.1.3. Ảnh hưởng của Niken. ............................................................................ 4
1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ........................................................... 4
1.2.1. Các khái niệm.......................................................................................... 4
1.2.2. Cân bằng hấp phụ.................................................................................... 7
1.2.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ. ................................................. 9
1.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP .. 11
1.3.1. Giới thiệu về vỏ cà phê ......................................................................... 12
1.3.2. Thành phần chính của vỏ cà phê .......................................................... 13
1.4. Giới thiệu về công nghệ cacbon hóa, than cacbon hóa............................ 14
1.4.1. Công nghệ cacbon hóa. ......................................................................... 14
1.4.2. Than cacbon hóa. .................................................................................. 14
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 16
2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................... 16
2.2. Hóa chất và dụng cụ................................................................................. 16
2.2.1. Hóa chất................................................................................................ 16
2.2.2. Thiết bị ................................................................................................. 16
2.3. Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 17
2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu. .............................................................. 17
2.3.2. Phương pháp phân tích.......................................................................... 17
2.3.3. Phương pháp thực nghiệm. ................................................................... 17


2.3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Ni(II)............................................................ 17
2.3.3.2. Thực nghiệm chế tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê. ......................... 17
2.3.3.3. Quy trình thực nghiệm. ...................................................................... 18
2.3.3.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni(II) của
VLHP. ............................................................................................................. 18
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 21
3.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn Ni(II). .................................................... 21
3.2. Tính toán khả năng tạo than từ vỏ cà phê trong lò nung chứa khí
Argon............................................................................................................... 21
3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung than, thời gian nung đến khả năng hấp
phụ NI(II) của các vật liệu . ............................................................................ 23
3.4. Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP........................................... 24
3.4.1. Phổ IR của vật liệu. ............................................................................... 24
Hình 3.4. Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của vật liệu................... 24
3.4.2. Kết quả chụp SEM. ............................................................................... 25
3.5. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Ni(II)
của VLHP ....................................................................................................... 25
3.5.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II) của
VLHP. ............................................................................................................. 25
3.5.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp
phụ Ni(II) của VLHP. ..................................................................................... 27
3.5.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất hấp
phụ Ni(II) của VLHP. ..................................................................................... 28
3.5.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Ni(II) ban đầu đến khả
năng hấp phụ của VLHP ................................................................................. 30
3.6. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ....................................................... 31
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 34


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Một số hằng số vật lí của Niken ....................................................... 3
Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ .................................................... 9
Bảng 1.3. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk
Lắk và tỉnh Điện Biên ..................................................................................... 13
Bảng 1.4: Kích thước và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa trên
các vật liệu khác nhau .................................................................................... 15
Bảng 3.1. Kết quả đo độ hấp phụ quang của dung dịch Ni(II) với các nồng
độ khác nhau.................................................................................................... 21
Bảng 3.2: Hiệu suất tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ khác
nhau. ................................................................................................................ 22
Bảng 3.3: Hiệu suất hấp phụ kim loại Ni(II) của các VLHP .......................... 23
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni(II)
của VLHP........................................................................................................ 26
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng
hấp phụ của VLHP. ......................................................................................... 27
Bảng 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất
hấp phụ Ni(II) của VLHP................................................................................ 29
Bảng 3.7: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Ni(II) ban đầu đến khả
năng hấp phụ của VLHP. ................................................................................ 30
Bảng 3.8: Các thông số khảo sát sự hấp phụ Ni(II) của VLHP ...................... 31


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir ............................................. 11
Hình1.2: Sự phụ thuộc của

vào Ccb .................................................... 11

Hình 3.1: Đường chuẩn Ni(II)........................................................................ 21
Hình 3.2: Hiệu suất tạo than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ khác
nhau. ................................................................................................................ 22
Hình 3.3: Hiệu quả hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các
nhiệt độ và thời gian nung khác nhau. ............................................................ 23
Hình 3.4: Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của vật liệu .................. 24
Hình 3.5: Hình thái học bề mặt của VLHP ..................................................... 25
Hình 3.6: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP. ........ 26
Hình 3.7: Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của
VLHP. ............................................................................................................. 28
Hình 3.8: Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ Ni(II)
của VLHP........................................................................................................ 29
Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ Ni(II) ban đầu đến khả năng hấp phụ
Ni(II) của VLHP.............................................................................................. 31
Hình 3.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với Ni(II) .. 32
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với Ni(II)............ 32


MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề
tài
Đất nước ta đang ngày càng phát triển theo hướng Công nghiệp hóa,
hiện đại hóa đất nước. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp
là sự gia tăng về số lượng chất thải gây ô nhiễm môi trường. Lượng chất thải
này bao gồm nhiều thành phần như vô cơ, hữu cơ và đặc biệt là kim loại nặng.
Một phần kim loại nặng này nằm trong nước thải, chúng rất khó bị loại bỏ
bằng các biện pháp xử lý nước thải thông thường và nếu chúng xâm nhập vào
các nguồn nước sinh hoạt ở mức cao hơn cho phép sẽ là nguồn gốc của nhiều
bệnh hiểm nghèo, đe dọa sức khỏe và tính mạng con người. Phần còn lại tích
lũy trong đất, gián tiếp đi vào chuỗi thức ăn và gây ảnh hưởng tới sức khỏe
con người và sinh vật sống [5].Vì vậy, vấn đề ô nhiễm môi trường đặc biệt là
ô nhiễm kim loại nặng thải ra từ các ngành công nghiệp đang là vấn đề đang
được quan tâm.
Hiện nay, Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa
chất, luyện kim, xi mạ, điện tử, ... nên nó thường có mặt trong nước thải công
nghiệp, hoặc bùn thải. Niken xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua đường hô hấp,
nó gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu. Nếu tiếp xúc nhiều với
Niken sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận. Da tiếp xúc
với Niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng, ... Vì vậy, việc loại trừ
các thành phần chứa kim loại nặng Ni(II) độc hại ra khỏi nguồn nước, đặc biệt
là nước thải công nghiệp là một trong những mục tiêu bảo vệ môi trường quan
trọng cần phải giải quyết hiện nay.
Đã xuất hiện nhiều phương pháp được sử dụng nhằm tách các ion kim
loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý, phương pháp
sinh học, phương pháp hóa học,… Trong đó, phương pháp hấp phụ được áp
dụng rộng rãi và cho kết quả rất tốt [5]. Với mục tiêu là tìm kiếm nguyên liệu
có sẵn trong tự nhiên, dễ kiếm, rẻ tiền, có thể tái tạo lại được để hấp phụ, loại
bỏ kim loại nặng trong nước (ví dụ như lõi ngô, bã trà, bã mía, bùn chưng cất,
vỏ trấu, mùn cưa, xỉ lò cao,… ) là vấn đề mà em lựa chọn. Và vỏ cà phê đang
là nguyên liệu được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Chính vì vậy

SV: LÊ THỊ HỒNG NHUNG

1

LỚP: K40B-SP HÓA


chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) của than cacbon hóa từ vỏ
cà phê"
 Mục đích:
- Điều chế được các VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp
phụ Ni(II) trong nước.
- Tìm được các điều kiện tối ưu (pH, thời gian hấp phụ, liều lượng
VLHP, nồng độ Ni(II) ban đầu) trong quá trình hấp phụ Ni(II).
 Nội dung nghiên cứu:
- Điều chế than cacbon hóa từ vỏ cà phê ở các nhiệt độ và thời gian khác
nhau.
- Tính toán hiệu suất tạo than từ vỏ cà phê trong lò nung chứa khí Argon.
- Đánh giá khả năng hấp phụ Ni(II) của các VLHP được điều chế từ vỏ
cà phê.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Ni(II) của mẫu
VLHP đã chọn.
- Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đã chọn.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Điều chế được VLHP có nguồn gốc tự nhiên từ vỏ cà phê để ứng dụng
làm vật liệu hấp phụ các ion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm
môi trường.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nguyên tố Niken
1.1.1.Tính chất vật lí, hóa học của Niken
Niken (Z = 28) thuộc nhóm VIIIB trong Bảng tuần hoàn, cấu Hình
8

2

electron là: [Ar] 3d 4s .

Bảng 1.1: Một số hằng số vật lí của Niken
Cấu hình electron

8

[Ar]3d 4s

2

Năng lượng ion hóa, kJ/mol
I1

737,1

I2

1753,0

I3

3395

Nhiệt độ nóng chảy, ◦C

1728

Nhiệt độ sôi, ◦C

3186

Nhiệt thăng hoa, KJ/mol

377,5

Vào năm 1804, nhà Hóa học người Đức Richter đã rất khó khăn khi
cho Niken sunfat kết tinh lại 32 lần và rồi kết quả là ông đã thu được Niken
tinh khiết. Đến hơn nửa thế kỷ sau, vào khoảng năm 1865, người ta đã tìm ra
được những mỏ Niken rất lớn trên đảo Tân Calêđoni.
Trong tự nhiên, Niken xuất hiện ở dạng hợp chất với l ư u
hu ỳn h t rong kh o án g c h ấ t m illerit, với a s e n t rong k h o á n g c h ấ t n iccolit,
và với asen cùng lưu huỳnh trong quặng Niken. Niken là kim loại có
màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Niken nằm trong nhóm s ắ t t ừ . Đặc
tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi.
1.1.2. Công dụng của Niken.
Ở điều kiện bình thường, nó trơ với oxi trong không khí nên thường
được dùng trong các thiết bị hóa học (điện cực), và trong một số hợp kim như
bạc Đức (German silver), thép không rỉ, pin sạc,….


Niken là một nguyên tố cần thiết cho vi sinh vật và thực vật để thực
hiện các phản ứng quan trọng của sự sống.
Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện
kim, xi mạ, điện tử, ...
1.1.3. Ảnh hưởng của Niken.
Trong vỏ Trái đất, hàm lượng Niken chiếm khoảng 0.015%. Trong đất,
lượng Niken có thể đạt 5-50mg/kg. Trong nước tự nhiên, hàm lượng Niken
thường nhỏ hơn 0.02mg/l nhưng trong nước sinh hoạt (nước máy) do quá
trình hòa tan từ các thiết bị, hàm lượng Niken có thể lên đến 1mg/l. Thức ăn
hàng ngày của chúng ta cũng có chứa Niken, lượng xâm nhập vào cơ thể
khoảng 0.1-0.3 mg/ngày. Khoảng 60-70% lượng Niken được dùng trong các
ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, xi mạ, điện tử, ... Niken là kim loại
có tính linh động cao trong môi trường nước, có khả năng tạo phức khá bền
với các chất hữu cơ tự nhiên và tổng hợp. Vì vậy, phần lớn nó thường có mặt
trong nước thải công nghiệp, hoặc bùn thải. Nó gây ra nhiều ảnh hưởng đến
môi trường và con người:
+ Là độc chất đối với động vật và thực vật sống dưới nước.
+ Làm biến đổi các tính chất lý hóa của nước, tạo ra sự tích tụ sinh học
đáng lo ngại theo chiều dài chuỗi thức ăn.
+ Ảnh hưởng đến đường ống dẫn nước, mạch nước ngầm, gây ăn mòn
hệ thống cống rãnh.
+ Niken xâm nhập vào cơ thể con người chủ yếu qua đường hô hấp, nó
gây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu. Nếu tiếp xúc nhiều với
Niken sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận. Da tiếp xúc
với Niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng, ...
1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ.
1.2.1. Các khái niệm.
Hấp phụ: Là quá trình tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (rắn
- khí, rắn - lỏng, khí - lỏng, lỏng - lỏng). Trong đó:


+ Chất hấp phụ: là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử nằm tiếp xúc với nó của pha khác.
+ Chất bị hấp phụ: là chất bị hút khỏi pha thể tích đến tập trung trên bề
mặt chất hấp phụ.
+ Pha mang: hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ.
Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt. Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi
ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ. Tùy theo bản chất lực
tương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phân
biệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [3].
- Hấp phụ vật lý:
+ Định nghĩa: Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander
Walls giữa phân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba
loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), liên kết này yếu dễ bị phá vỡ. Vì
vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao.
+ Hấp phụ vật lý không có tính chọn lọc. Quá trình hấp phụ vật lý là một
quá trình thuận nghịch tức là có cân bằng động giữa chất hấp phụ và bị hấp
phụ. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ vật lý khoảng 2÷6 kcal/mol. Sự hấp phụ
vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu
trúc của các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ [3].
- Hấp phụ hóa học:
+ Định nghĩa: Hấp phụ hóa học là phương pháp hấp phụ được gây ra bởi
các liên kết hóa học (liên kết cộng hóa trị, lực ion, lực liên kết phối trí). Trong
hấp phụ hóa học có sự trao đổi electron giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Cấu trúc electron phân tử các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi
rất lớn dẫn đến hình thành liên kết hóa học. Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ
hóa học thường lớn hơn 22 kcal/mol.
Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ là
tương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt. Một số trường hợp tồn tại cả
quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quá
trình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khả


năng hấp phụ hóa học tăng lên [7].
 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường
nước
Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ít
nhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ.
Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và
có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị
hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn
thì hấp phụ xảy ra với cặp đó.
Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của
chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức
độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước. Vì vậy, khả năng hấp phụ của chất
hấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng về
độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụ tốt
trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại. Đối với các chất có độ phân
2-

cực cao, ví dụ các ion kim loại hay một số dạng phức oxy anion như SO4 ,
32PO4 ,CrO4 … thì quá trình hấp phụ xảy ra do tương tác tĩnh điện thông qua
lớp điện kép. Các ion hoặc các phân tử có độ phân cực cao trong nước bị bao
bọc bởi một lớp vỏ là các phân tử nước, do đó bán kính (độ lớn) của các ion,
các phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ
do tương tác tĩnh điện. Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn
sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hyđrat nhỏ hơn.
Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của
dung dịch. Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ
và chất hấp phụ. Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ có tính axit yếu,
bazơ yếu hoặc lưỡng tính sẽ bị phân li, tích điện âm, dương hoặc trung hoà
tùy thuộc giá trị pH. Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện thì điện tích bề mặt
chất hấp phụ bằng không, trên giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện âm và
dưới giá trị đó bề mặt chất hấp phụ tích điện dương. Đối với các chất trao đổi
ion diễn biến của hệ cũng phức tạp do sự phân li của các nhóm chức và các
cấu tử trao đổi cũng phụ thuộc vào pH của môi trường, đồng thời trong hệ
cũng xảy ra cả quá trình hấp phụ và tạo phức chất.


Ngoài ra, độ xốp, sự phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao
quản…cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ.
Đối với các hợp chất hữu cơ, trong môi trường nước chúng có độ tan
khác nhau do đó khả năng hấp phụ chúng trên VLHP là khác nhau. Phần lớn
các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hòa, ít bị phân cực nên
quá trình hấp phụ trên VLHP đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ
vật lý. Khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc vào: pH của
môi trường, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ….
 Đặc tính của ion kim loại nặng trong môi trường nước:
Để tồn tại được ở trạng thái bền, các ion kim loại trong môi trường nước
bị hydrat hóa tạo ra lớp vỏ là các phân tử nước, các phức chất hidroxo, các
cặp ion hay phức chất khác. Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các ion, pH
của môi trường, các thành phần khác cùng có mặt mà Hình thành các dạng
tồn tại khác nhau
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.
Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau :
- Khối lượng phân tử ;
- Cấu trúc phân tử ;
- Loại và số lượng các nhóm chức ;
- Hàm lượng tro và các hợp chất dễ bay hơi;
- Diện tích bề mặt riêng ;
- Số lượng vi lỗ có trong vật liệu ;
- pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu;
- Liều lượng vật liệu hấp phụ;
- Thời gian hấp phụ;
- Nồng độ chất hấp phụ.
1.2.2. Cân bằng hấp phụ.
Hấp phụ vật lý 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 pha
mang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ). Theo thời gian lượng chất bị hấp
phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trở
lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trình
thuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạt
trạng thái cân bằng [7].
+ Dung lượng hấp phụ cân bằng:
Dung lượng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một
đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xác định
về nồng độ và nhiệt độ [7].
Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
(

q=

)

(1.1)

Trong đó:
- q: dung lượng hấp phụ (mg/g)
- V: thể tích dung dịch (l)
- m: khối lượng chất hấp phụ (g )
- Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
- Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Trong quá trình hấp phụ, các phần tử bị hấp phụ không bị hấp phụ đồng
thời, bởi vì các phần tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung dịch đến bề
mặt ngoài chất hấp phụ và sau đó khuếch tán vào sâu bên trong hạt của chất
hấp phụ [5].
+ Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng ở trạng thái cân bằng
+ Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ
dung dịch ban đầu.


H=

(
)

. 100%

(1.2)

Trong đó:
H: Hiệu suất hấp phụ (%)
Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)
Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).
1.2.3. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ.
Một số đường hấp phụ đẳng nhiệt được nêu trong Bảng sau:
Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ
STT

Tên đường đẳng
nhiệt hấp phụ

Phương trình

Bản chất sự hấp
phụ

1

Langmuir

v
K L. p

v0 1  K L .p

Vật lý và Hóa học

2

Henry

3

Freundlich

4

Shlygin-FrumkinTemkin

5

BrunauerEmmett-Teller

Vật lý và Hóa học

v
k.p

v  k.p

1/ n

(n  1)

v
1
 ln C 0 .p
vm a

Vật lý và Hóa học

Hóa học

p
1 C 1 p


.

v.( p0 p) vmC vm C p0 Vật lý, nhiều lớp

(BET)
Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, v 0 là thể tích
hấp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bão


hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ. Các
ký hiệu KL, k,a, n là các hằng số.
Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của các VLHP với
2+

ion kim loại nặng Ni 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:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các
tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu
phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở Bảng 1.2 được xây
dựng cho hệ hấp phụ rắn - khí. Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể áp
dụng cho hấp phụ trong môi trường nước. Khi đó phương trình Langmuir
được biểu diễn như sau:

=θ=

(1.3)

Trong đó:
q, qm : dung lượng hấp phụ cân bằng, dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
: độ che phủ
b : hằng số Langmuir
Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
- Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q =
phụ tuyến tính.

. b. Ccb mô tả vùng hấp

- Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q =
hòa.

mô tả vùng hấp phụ bão

Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng


nhiệt biểu diễn là một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong phương trình
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đưa phương trình (1.3) về dạng phương trình
đường thẳng:
1
1
Ccb
(1.4)

q



.C
b.qm qm

cb

C
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của cb vào Ccb sẽ xác định được các hằng
q
số KL, qm trong phương trình. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng
như Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Langmuir

Hình1.2: Sự phụ thuộc của

vào

Ccb

ON 

1
qm .K L

1.3. Một số hướng nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm VLHP
Ngày nay, trên Thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu,
nhiều đề tài khoa học nhằm tìm các giải pháp sử dụng vật liệu hấp phụ từ các
phế phẩm nông nghiệp có nguồn gốc tự nhiên để loại bỏ kim loại nặng trong
nước thải công nghiệp. Nhiều công trình trong số đó đã được ứng dụng vào
thực tiễn cuộc sống và cho hiệu quả tốt, mở ra một hướng đi mới cho công
nghệ xử lý ô nhiễm môi trường.
Bã mía: được đánh giá như phương tiện lọc chất bẩn từ dung dịch nước


và được ví như than hoạt tính trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng như:
Cr(III), Ni(II), Cu(II) … Bên cạnh khả năng tách loại kim loại nặng, bã mía
còn thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối với dầu [18]
Lõi ngô: một nhóm nghiên cứu ở trường Đại học North Carolina, Hoa kỳ
tiến hành nghiên cứu và đề xuất quy trình xử lý lõi ngô bằng dung dịch NaOH
và H3PO4 để chế tạo VLHP kim loại nặng. Hiệu quả xử lý của VLHP tương
đối cao. Dung lượng hấp phụ cực đại của hai ion kim loại nặng Cu
lần lượt là 0,39 mmol/g và 0,62 mmol/g [15]

2+

2+

và Cd

Vỏ đậu tương: Có khả năng hấp phụ tốt đối với nhiều ion kim loại nặng
2+

2+

2+

như Cd , Zn , ... và một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là ion Cu . Vỏ đậu
tương sau khi xử lý với NaOH và axit citric thì dung lượng hấp phụ cực đại
lên tới 108mg/g [19].
1.3.1. Giới thiệu về vỏ cà phê
Cà phê là một trong những mặt hàng nông sản xuất khẩu chủ lực của
Việt Nam được trồng chủ yếu ở các tỉnh Điện Biên, Sơn La, Quảng Trị, Bình
Phước, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu và 5 tỉnh Tây nguyên. Tổng diện tích cà
phê cả nước là 614.545ha, trong đó Tây Nguyên chiếm tỷ lệ khoảng 92%
(Cục Trồng trọt, 2012) [10]. Đắk Lắk là tỉnh có diện tích trồng cà phê lớn
nhất cả nước. Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh
Đắk Lắk, sản lượng cà phê thành phẩm thu được hàng năm khoảng là 460.000
tấn, với tỷ lệ vỏ cà phê chiếm 40% thì hàng năm sẽ thải ra gần 200.000 tấn vỏ
khô cà phê [1].
Những năm trước đây, sau mỗi vụ thu hoạch, phơi khô, các nông hộ tập
trung xay xát vất vỏ cà phê bừa bãi ra ven đường, gò đồi, hoặc chất thành
đống đốt gây ô nhiễm môi trường. Một vài năm gần đây nông dân đã biết tận
dụng vỏ trấu, vỏ cà phê để làm phân compost, tuy nhiên việc làm phân
compost không phải là ứng dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người dân.
Chính vì vậy việc tận dụng vỏ cà phê để chế tạo than hoạt tính là một hướng
nghiên cứu mới có nhiều triển vọng về mặt kinh tế cũng như ứng dụng cải
thiện môi trường.
Vỏ cà phê được nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các kim loại nặng


trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polymer như
xenluloza, hemixenluloza, pectin, lignin và protein. Than hoạt tính chế tạo từ
vỏ cà phê có cấu trúc dạng sợi, hệ mao quản có kích thước nhỏ 0,4 đến
1,8nm.
Có thể thấy vỏ cà phê rất thích hợp để làm vật liệu cacbon hóa, vừa tiết
kiệm chi phí vật liệu, đồng thời tận dụng được lượng vỏ cà phê thải ra góp
phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.
1.3.2. Thành phần chính của vỏ cà phê [11]
Bảng 1.3. Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk Lắk
và tỉnh Điện Biên
STT Thành phần vỏ cà phê

Trồng tại Đắk Lắk

Trồng tại Điện
Biên

1

% hemicelluloses

9,187

13,06

2

% lignin

19,58

19,182

3

% celluloses

61,473

67,758

Thành phần chính của vỏ cà phê là Gluxit gồm xenlulozo,
hemixenlulozo, lignin và một số hợp chất khác.
Sự kết hợp giữa xenlulozo và hemixenlulozo có chứa nhiều nhóm –OH,
thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro.
Xenlulozo là polisaccarit cao phân tử do các mắt xích
-glucoza
[C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết -1,4-glucozit. Phân tử khối của
xenlulozo rất lớn khoảng từ 100000-250000 đ.v.c. Trong mỗi phân tử
xenlulozo có khoảng 1000-15000 mắt xích glucozo.
Hemixenlulozo là polisaccarat giống như xenlulozo nhưng có số mắt
xích nhỏ hơn và thường bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhóm axetyl và
metyl.
Lignin là loại polime được tạo bởi các mắt xích phenylpropan. Lignin
giữ vai trò kết nối giữa xenlulozo và hemixenlulozo.


1.4. Giới thiệu về công nghệ cacbon hóa, than cacbon hóa.
1.4.1. Công nghệ cacbon hóa.
Cacbon hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi
có mặt trong nhiên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt
cháy không hoàn toàn nguyên liệu. Các hợp chất hữu cơ phân hủy dưới tác
dụng của nhiệt và tạo thành cacbon. Quá trình cacbon hóa có thể chia thành 2
giai đoạn: sấy khô và đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu.
Có một số sự khác biệt giữa phương pháp thiêu đốt truyền thống và
công nghệ cacbon hóa. Phương pháp thiêu đốt truyền thống biến toàn bộ chất
thải đầu vào thành khí thải và tro, sinh ra nhiều khí thải độc hại. Ngược lại
phương pháp nhiệt phân biến chất thải thành các loại nhiên liệu giàu năng
lượng bằng việc đốt các chất thải ở trạng thái kiểm soát, quy trình xử lý nhiệt
lại hạn chế sự biến đổi để quá trình đốt cháy không xảy ra trực tiếp, chất thải
được biến thành các chất trung gian, có thể xử lý thành các vật liệu tái chế
hoặc thu hồi năng lượng. Dưới tác dụng của nhiệt, các loại rác thải chuyển
hóa kèm theo quá trình phân hủy tạo thành nước, khí và than tổng hợp.
Nhiệt phân trong công nghệ cacbon hóa là quá trình làm suy giảm nhiệt
của các vật liệu cacbon ở nhiệt độ từ 300-800°C và trong môi trường chứa
khí Argon. Quá trình này làm bay hơi và phân hủy các vật liệu rác hữu cơ
bằng nhiệt, không bằng đốt lửa trực tiếp. Khi chất thải bị nhiệt phân (ngược
quá trình đốt trong lò thiêu đốt), khí và than rắn được sinh ra. Than ở dạng
rắn là hợp chất của các nguyên liệu khó cháy với cacbon. Khí tổng hợp được
sinh ra là hỗn hợp của các khí gồm cacbon monoxit, hydro, metan và 1 số
loại hợp chất hữu cơ khác dễ bay hơi [12].
1.4.2. Than cacbon hóa.
Qua các nghiên cứu của Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ năm 2006 đến nay cho thấy lượng chất
thải rắn phát sinh hằng năm khoảng 15 triệu tấn(hơn 40 nghìn tấn/ngày),
trong đó khoảng 80% là rác sinh hoạt.
Tiếp đó là chất thải phát sinh từ các khu công nghiệp 2,6 triệu tấn
chiếm khoảng 17%, thêm vào đó là gần 1500 làng nghề (tập trung chủ yếu ở


vùng nông thôn miền Bắc) thải ra 774.000 tấn chất thải công nghiệp mỗi
năm. Chất thải chủ yếu tập trung ở các vùng đô thị. Ở đô thị, tuy dân số chỉ
chiếm 24% dân số cả nước nhưng lượng rác thải chiếm tới 50% tổng lượng
chất thải của cả nước với 6 triệu tấn/năm [12]
Trong thời gian qua do nhiều lý do, người ta chọn phương pháp đơn
giản nhất là chôn lấp, thế nhưng với lượng rác càng ngày càng tăng [tính đến
năm 2012 thì lượng rác được thu gom để chôn lấp hằng ngày tại thủ đô Hà
Nội và các quận ngoại thành đã lên đến 4200 tấn/ ngày. Theo tính toán của
bãi chôn lấp Nam Sơn- Sóc Sơn - Hà Nội thì chỉ hết năm 2013 bãi rác sẽ hết
chỗ chôn lấp, không thể dễ gì tìm được diện tích đất đủ rộng để làm bãi chôn
lấp.
Một công nghệ mới được ra đời dựa trên nguyên lý sự đốt cháy, nhưng
trong môi trường thiếu oxi đó là công nghệ xử lý chất thải rắn bằng phương
pháp cacbon hóa, công nghệ này cho phép thu hồi năng lượng như: nhiệt
năng hoặc làm nguyên, nhiên liệu sạch (than sạch, than hoạt tính). Phương
pháp này giúp xử lý ô nhiễm môi trường và giảm lượng rác thải cho bãi chôn,
đây là yếu tố quan trọng chính của quá trình xử lý chất thải. Sau khi tiến hành
phân tích chất lượng sản phẩm thông qua các chỉ tiêu đánh giá nhiệt năng
như TOC và nhiệt trị; chỉ tiêu đánh giá vật liệu lọc như kích thước mao quản
và diện tích bề mặt riêng.
Bảng 1.4: Kích thước và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa trên các
vật liệu khác nhau [11],[16]
Vật liệu

Kích thước mao quản

Diện tích bề mặt
(mg/g)

Vải

Kích thước Rất nhỏ, 1-2 nm

60-70

Giấy

Kích thước Rất nhỏ, l-2nm

50-70

Tre

Kích thước nhỏ, 10-20 μm

300-400

Gỗ

Kích thước nhỏ, 50-150 μm

100 - 300

Vỏ cà phê

Kích thước Rất nhỏ, 0,4-1,8nm

cacbon hóa


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Đối tượng nghiên cứu
+ Vật liệu: Vỏ cà phê.
+ Dung dịch Ni(II) có nồng độ xác định.
2.2. Hóa chất và dụng cụ.
2.2.1. Hóa chất
- Nước cất 2 lần.
- Dung dịch nước brom bão hòa.
- Dung dịch amoniac đặc.
- Thuốc thử đimetyl glyoxim 1,2%: Hòa tan 1,2g Đimetyl glyoxim trong
125ml rượu etylic, dùng đũa khuấy đều.
- Dung dịch chuẩn Ni(II) 1000mg/l: Hòa tan 4,477g muối NiSO4.6H2O
trong nước cất 2 lần rồi định mức đến 1000ml, ta được dung dịch
Ni(II) 1000mg/l. Sau đó pha loãng thành dung dịch làm việc có nồng
độ xác định.
2.2.2. Thiết bị
- Máy nghiền 3A4KW,
- Cân phân tích OHAUS-Mỹ,
- Tủ sấy Trung Quốc,
- Máy khuấy từ gia nhiệt IKA 4 vị trí hoạt động cùng chế độ,
- Máy so màu ShimaDzu UV-Vis1800,
- Máy đo pH cầm tay,
- Lò nung dạng ống CARBOLITE.
- Ngoài ra còn có các dụng cụ phân tích khác như: Bình tam giác, bình
định mức, pipet, đũa thủy tinh, bát sứ, giấy lọc,…


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×