Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ pb2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
======

HOÀNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH
2+

HẤP PHỤ Pb TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý

Hà Nội, 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
======


HOÀNG THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH
2+

HẤP PHỤ Pb TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa lý
Người hướng dẫn khoa học

ThS. TRẦN QUANG THIỆN

Hà Nội, 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới ThS. Trần Quang Thiện giảng viên khoa Hóa Học, trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã giao đề tài và
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu để
em có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa Học – Trường Đại
học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học
tập và nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, người thân đã
động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày….. tháng….. năm 2018
Sinh viên

Hoàng Thị Thúy

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Pb

2+

trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè “ là công trình nghiên cứu của riêng
em dưới sự hướng dẫn của ThS.Trần Quang Thiện, trường Đại học Sư phạm
Hà Nội 2. Các số liệu và kết quả trong đề tài là trung thực, chưa từng được
công bố trên tạp chí nào cho đến thời điểm này ngoài những công trình của
tác giả.
Hà Nội, ngày ..…. tháng...... năm 2018
Sinh viên

Hoàng Thị Thúy

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................i
LỜI
CAM
ĐOAN
......................................................................................................................ii
MỤC
LỤC.....................................................................................................................................iii
DANH MỤC VIẾT TẮT .........................................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG .....................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................................vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................
1

1. Lý do chọn đề tài........................................................................................... 1
2. Mục tiêu chọn nghiên cứu............................................................................. 2
3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 3
1.1. Bã chè......................................................................................................... 3
1.1.1. Tổng quan về chè .................................................................................... 3
1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè ........................................................ 3
1.2. Polyanilin (PANi)....................................................................................... 5
1.3. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng.............................................................. 6
1.4. Hấp phụ ...................................................................................................... 7
1.4.1. Khái niệm ................................................................................................ 7
1.4.2. Dung lượng hấp phụ................................................................................ 7
1.4.3. Hiệu suất hấp phụ.................................................................................... 8
1.4.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ............................................................ 8
1.4.5. Động học hấp phụ ................................................................................. 10
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 13
2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................... 13
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị ..................................................................... 13
3


2.2.1. Hóa chất................................................................................................. 13
2.2.2. Dụng cụ ................................................................................................. 13
2.2.3. Thiết bị .................................................................................................. 13
2.3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 14
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM ................................................ 14
2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại IR .......................................................... 14
2.3.3. Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS .................................................. 14
2.4. Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 15
2.4.1. Xử lý bã chè trước tổng hợp ................................................................. 15
2.4.2. Tổng hợp vật liệu .................................................................................. 15
2+

2.4.3. Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb ................ 16
2.3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian.................................................................... 16
2+

2.4.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng ion Pb ................................................... 17
2.3.3.3. Ảnh hưởng của pH ............................................................................. 17
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................ 18
3.1. Tổng hợp vật liệu ..................................................................................... 18
3.1.1. Phổ hồng ngoại IR................................................................................. 18
3.1.2. Kết quả phân tích SEM ......................................................................... 19
2+

3.2. Khả năng xử lý ion Pb ........................................................................... 19
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian....................................................................... 19
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ .............................................. 21
3.2.3. Ảnh hưởng của pH ................................................................................ 23
3.3. Nghiên cứu mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ................................ 24
KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 26
KHUYẾN NGHỊ ...................................................................................................................... 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 28

4


DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
AAS

Tên tiếng Việt

Tên tiếng Anh

Phương pháp phổ hấp

Atomic Absorption

phụ nguyên tử

Spectronphotometric

IR

Phổ hồng ngoại

Infrared spectroscopy

SEM

Kính hiển vi điện tử

Scanning electron

quét

microscopy

PANi

Polyanilin

Polyaniline

ANi

Anilin

Aniline

BC

Bã chè

PPNN

Phụ phẩm nông nghiệp

VLHP

Vật liệu hấp phụ

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC. .......................... 18
Bảng 3.2. Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật
liệu PANi – BC ............................................................................................... 25

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc PANi ....................................................................................................... 5
Hình 1.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................ 9
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C ............................................................... 9
Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t ................................................. 12
Hình 3.1. Phổ IR của các mẫu PANi, BC, PANi – BC............................................ 18
Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu BC, PANi, PANi – BC. ............................... 19
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ dung dịch(a) và hiệu suất của
2+
quá trình hấp phụ (b) ion Pb theo thời gian đối với các vật liệu. Nồng độ ban
đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7..................................................................................................... 20
2+
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ ion Pb đối với
các vật liệu. Nồng ban đầu C0 = 20 mg/L, pH = 7 ...................................................... 21
Hình 3.5. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến nồng độ của
chất bị hấp phụ (a) và hiệu suất của quá trình hấp phụ (b). Thời gian hấp phụ t
= 120 phút, pH = 7.................................................................................................................. 22
Hình 3.6. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ đến dung lượng
hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7 ....................................................... 22
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến nồng độ dung dịch (a) và hiệu suất của quá
2+
trình hấp phụ (b) ion Pb trên các vật liệu. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L, t
= 120 phút.................................................................................................................................... 23
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ. Thời gian hấp phụ t =
120 phút, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ...................................................................... 23
Hình 3.9. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ ion
2+
Pb của vật liệu PANi – BC ............................................................................................... 24
2+
Hình 3.10. Sự phụ thuộc tham số RL vào nồng độ ban đầu của Pb ................. 25

vii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, thế giới đang rung lên hồi chuông báo động về thực trạng ô
nhiễm môi trường toàn cầu. Nằm trong bối cảnh chung của thế giới, môi
trường Việt Nam cũng đang xuống cấp một cách cục bộ. Nước là nguồn tài
nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm
nghiêm trọng. Nguyên nhân chính là do nguồn nước thải của các khu công
2+

2+

nghiệp, khu chế xuất,….chứa rất nhiều ion các kim loại nặng như Pb , Mn ,
2+

Cu ,…. khi đưa ra ngoài môi trường hầu hết chưa được xử lý hoặc xử lý sơ
bộ. Vấn đề đó đã và đang làm ảnh hưởng không chỉ đến hệ sinh thái mà còn
đe dọa đến sức khỏe con người. Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trường nước
đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế
giới.
Đã có nhiều phương pháp được áp 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 – sử dụng vật
liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, vỏ lạc, bã
mía, lõi ngô,.… để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nước
đang được áp dụng rộng rãi và cho kết quả khả thi.
Phương pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ưu việt so với các
phương pháp xử lý khác như giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng
thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi
kim loại.
Bã chè là nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lượng hàng
năm rất lớn. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, em tập trung
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb
trên vật liệu hấp thu chế tạo từ bã chè”.

1

2+


2. Mục tiêu chọn nghiên cứu
Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Pb

2+

và đánh giá khả

2+

năng hấp phụ ion Pb của vật liệu hấp phụ.
3. Nội dung nghiên cứu
Điều chế vật liệu hấp phụ từ bã chè.
2+

Đánh giá khả năng hấp phụ ion Pb của VLHT điều chế từ bã chè.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích số liệu.
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM.
Phương pháp phổ hồng ngoại IR.
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Điều chế được VLHP từ bã chè 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. Bã chè
1.1.1. Tổng quan về chè
Chè có tên khoa học là Camellia sinensis là một loại cây công nghiệp
lâu năm có đời sống kinh tế lâu dài mà mau cho sản phẩm, hiệu quả kinh tế
cao và ổn định. Ở Việt Nam cây chè được trồng tập trung chủ yếu ở: Tây Bắc,
Tuyên Quang, Thái Nguyên, Hòa Bình, Trung du và miền núi Bắc Bộ,…[21].
Chè tại Việt Nam được sản xuất chủ yếu trên quy mô thương mại và
công nghiệp, có khoảng 174.900 tấn chè được sản xuất mỗi năm. Với sản
lượng và sự tiêu thụ lớn như vậy thì bã chè thu được là rất lớn. Do đó, việc sử
dụng bã chè để chế tạo VLHP vừa có ý nghĩa về mặt khoa học vừa góp phần
tận dụng nguồn phụ phẩm dồi dào này [22].
1.1.2. Thành phần và tính chất của bã chè
Thành phần sinh hóa của chè biến động rất phức tạp nó phụ thuộc vào
giống, tuổi chè, điều kiện đất đai, địa hình, kỹ thuật canh tác, mùa thu
hoạch,…. Thành phần sinh hóa chủ yếu trong búp chè gồm có [23]:
Nước: là thành phần chủ yếu trong búp chè. Trong búp chè hàm lượng
nước thường có từ 75 – 82%.
Tanin: là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phầm
chất chè. Tanin còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng
cactechin. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tanin chè không giống
nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi.
Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhưng nhiều nhất là cafein.
Protein và axit amin: protein là hợp chất hữu cơ phức tạp chứa N, phân
bố không đều ở các phần của búp chè và thay đổi tùy theo giống, thời vụ, điều
kiện canh tác và các yếu tố khác. Protein kết hợp với một thành phần tanin
làm cho vị chát và đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein


có lợi cho phẩm chất chè xanh. Ngày nay người ta đã tìm thấy trong chè có 17
axit amin, các axit amin này kết hợp với đương và tanin tạo thành andehit có
mùi thơm của chè đen và làm cho chè xanh khác nhau.
Gluxit và pectin: trong lá chè chứa rất ít gluxit hòa tan, trong khi đó các
gluxit không hòa tan lại chiếm tỷ lệ lớn.Cellulose and hemixenlulo cũng tăng
lên theo tuổi của lá, vì vậy nguyên liệu càng già chất lượng càng kém. Hàm
lượng đường hòa tan ở trong chè tuy ít nhưng rất quan trọng đối với hương vị
chè. Đường tác dụng với protein hoặc axit amin tạo nên các chất thơm.
Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố,
carotin và xantofin. Các sắc tố này biến động theo giống, theo mùa và các
biện pháp kỹ thuật canh tác.
Vitamin: các loại vitamin có trong chè rất nhiều. Chính vì vậy giá trị
dược liệu cũng như giá trị dinh dưỡng của chè rất cao. Theo các tài liệu của
Trung Quốc, hàm lượng một số vitamin trong chè tính theo mg/L gam chất
khô như sau: vitamin A: 54,5; B1: 0,70; B2:12,2; PP: 47,0; C:27,0 v.v…
Men: trong búp chè non có hầu hết các loại men, nhưng chủ yếu gồm
hai nhóm chính:
- Nhóm thủy phân: men amilase, glucosidase, proteasevà một số men khác.
- Nhóm oxi hóa khử: peroxidase and polyphenoloxidase.
Chất tro: hàm lượng tro trong chè tươi từ 4 – 5 % và trong chè khô từ 5
– 6%. Trong chè, tro chia thành hai nhóm: hòa tan trong nước và không hòa
tan trong nước.
Bã chè là vật liệu lignoxenylulose, có khả năng tách kim loại nặng hòa
tan và màu trong nước nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần cellulose. Các
nhóm hydroxy trên cellulose đóng vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi
ion, nhóm hydroxy này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực
không mạnh [10]. Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxy hóa


các nhóm hydroxy thành các nhóm chức axit hoặc sulfon hóa bằng axit
sunfuric.
Vì vậy bã chè là một tiềm năng rất lớn để chúng ta có thể tận dụng, tái
chế đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội và còn có ý nghĩa quan trọng
trong việc bảo vệ sức khỏe con người, môi trường.
1.2. Polianilin (PANi)
PANi là một chuỗi dài gồm các phân tử anilin liên kết với nhau, tùy
vào điều kiện tổng hợp mà PANi có cấu trúc và màu sắc thay đổi theo:

Hình 1.1. Cấu trúc PANi [ 9]
a, b = 0, 1, 2, 3,….
- Với a = 0: Pernigranilin (màu xanh thẫm)
- Với b = 0: Leucoemeraldin (màu vàng)
- Với a = b = 1: Emeraldin (màu xanh)
PANi có các tính chất sau:
- Tính dẫn điện tốt đặc biệt khi nó tạo muối với các axit tạo thành dạng
emeraldin.
- Tính điện sắc [11]: màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa khử của
màng.
- Khả năng tích trữ năng lượng cao [3,15]: sử dụng làm vật liệu chế tạo
nguồn điện thứ cấp.
- Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn kim loại.
PANi được tổng hợp theo hai phương pháp là phương pháp hóa học và
phương pháp điện hóa trong đó phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm hơn,
tuy nhiên để sản xuất với mục đích chế tạo vật liệu dạng bột với lượng lớn thì


phương pháp hóa học được sử dụng nhiều hơn [12].
1.3. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng
Ở Việt Nam, sau gần 20 năm mở cửa và đẩy mạnh kinh tế với hơn 64
khu chế xuất và khu công nghiệp cộng thêm hàng trăm cơ sở hóa chất và chế
biến trên toàn quốc đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong
các nguồn thải, tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp và khu dân cư lớn
như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh,…. Theo báo cáo môi trường quốc gia
năm 2011 có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất
lượng dòng xả nước thải xả ra môi trường do công trình hay thiết bị xử lý
nước thải còn hạn chế đã và đang làm cho vấn đề ô nhiễm kim loại nặng càng
trầm trọng.
Trên thế giới tình hình ô nhiễm kim loại nặng không chỉ diễn ra ở các
nước phát triển mà cả ở những nước đang phát triển và ngày càng diễn biến
theo chiều hướng xấu. Các sự cố nhiễm độc kim loại nặng đã được ghi nhận ở
nhiều nơi trên thế giới như: Trung Quốc (lượng Cr trong nước uống tại Hồng
Kông đã ở mức ung thư), Thái Lan (theo báo cáo của Viện Quốc tế quản lý
nước năm 2004 thì hầu hết các ruộng lúa tại tỉnh Tak đã bị nhiễm Cd cao gấp
94 lần tiêu chuẩn cho phép), khu vực Nam Mỹ (ô nhiễm Hg từ hoạt động khai
thác vàng),…. Ảnh hưởng lâu dài không chỉ đến hệ sinh thái mà còn ảnh
hưởng đến cả sức khỏe con người.
 Xử lý môi trường bằng bã chè
Trên thế giới đã nhiều công trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ của
bã chè và ứng dụng trong việc xử lý môi trường như: công trình nghiên cứu
của tác giả Xiaoping Yang [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của bã chè
2+

biến tính bằng kiềm như một vật liệu hấp phụ mới để loại bỏ Pb trong dung
dịch nước hay công trình của tác giả P. Panneerselvam [17] đã nghiên cứu
2+

loại bỏ ion Ni trong dung dịch nước bởi bã chè phủ oxit nano Fe3O4,….


Trong nước việc nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè vẫn là vấn
đề khá mới mẻ, chỉ có nghiên cứu của một số nhóm tác giả. Trong đó, tác giả
Đỗ Trà Hương và Trần Thúy Nga (2014) [5] đã nghiên cứu hấp phụ màu xanh
metylen bằng vật liệu bã trà cho kết quả khả quan. Nghiên cứu của Đỗ Trà
Hương và Dương Thị Tú Anh (2014) [4] đã chế tạo thành công vật liệu hấp
phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè.
1.4. Hấp phụ
1.4.1. Khái niệm
Theo tác giả Trần Văn Nhân: hấp phụ là sự tập tụ chất trên bề mặt phân
chia 2 pha thể tích (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng) [2, 3].
Chất hấp phụ là chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các phần
tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó. Chất hấp phụ có bề mặt riêng càng lớn
thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Chất bị hấp phụ là chất bị hút ra khỏi pha
thể tích đến tập trung trên bề mặt chất hấp phụ.
Bề mặt riêng là diện tích bề mặt đơn phân tử tính đối với 1 g chất hấp
phụ. Sự hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa các phần tử chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào độ xốp của chất hấp phụ.
1.4.2. Dung lượng hấp phụ
Dung lượng hấp phụ (q) là lượng chất bị hấp phụ (độ hấp thu) bởi 1
gam chất hấp phụ rắn được tính theo công thức [12]:

q
).V

(C0  C

Trong đó:

(1.1)

m

q: lượng chất bị hấp phụ (mg/g).
C0, C: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L).
V: thể tích dung dịch (L).
m: khối lượng chất hấp phụ (g).


1.4.3. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và
nồng độ dung dịch ban đầu C0:

H

C0  C

.
(1.2)

100(%)
C0
1.4.4. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt

Ở nhiệt độ không đổi (T=const), đường biểu diễn q=fT (P hoặc C) được
gọi là đường hấp phụ đẳng nhiệt.
Đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lượng hấp
phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng hoặc áp suất của chất bị hấp phụ
tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định [2,3].
Đối với chất hấp phụ là rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường
hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Henry, Freundlich, Langmuir,…
Nghiên cứu này sẽ nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ
2+

(VLHP) đối với ion kim loại Pb

trong môi trường nước theo mô hình đường

hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.
 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [2,3]
Những luận điểm được đưa ra khi xây dựng thuyết:
 Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do
của các nguyên tử hay phân tử bề mặt chất hấp phụ.
Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
Sự hấp phụ là thuận nghịch.
Tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bị bỏ qua.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có dạng:


q  q max

K L .C
1 K L .C

(1.3)

Trong đó:
KL: hằng số (cân bằng) hấp thu Langmuir.
q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g).
qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
C: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L).

q
qmax

0

Ct

Hình 1.2. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [1]
Để tính các hằng số trong phương trình Langmuir ta đưa phương trình
(1.3) về dạng đường thẳng:

C
C/q (g/L)

q



1
K L .qmax

1
.C

qmax

α

M

0

C (mg/L)

Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1]

(1.4)


Từ các số liệu thực nghiệm, ta vẽ được đồ thị sự phụ thuộc của C/q
theo C. Đường biểu diễn có độ dốc là:

tan  

1
qmax

(1.5)

Từ đó xác định được qmax và KL:

KL 

1
C

.q

C
q



max

(1.6)

Ta có thể xác định tham số cân bằng RL:

1
1 K L
.C0

RL 
Trong đó:

(1.7)

RL: tham số cân bằng.
C0: nồng độ ban đầu (mg/L).
KL: hằng số Langmuir (L/mg).
Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và
mối tương quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp phụ thông qua hằng số
Langmuir KL. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ
hấp phụ.
1.4.5. Động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt
các giai đoạn kế tiếp nhau [2]:
- 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 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 tronng hệ mao quản của chất hấp
phụ - giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm 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 động học hấp phụ. Với hệ
hấp phụ trong môi trường nước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng
vai trò quyết định. Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác định bởi sự
thay đổi hàm lượng của chất bị hấp phụ theo thời gian. Mô hình động học hấp
phụ bậc 1 đã được đưa ra để giải thích cơ chế hấp phụ.
Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào
dung lượng chất hấp phụ:

dqt
dt

 k( q 
)
q1 e
t

(1.8)

Trong đó:
qe, qt: là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và tại thời điểm t
(mg/g). k1: là hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1
(thời gian 1).
Áp dụng điều kiện biên tại thời điểm t = 0, q0 = 0 và t = t, qt = qt,
phương trình (1.8) trở thành:

lg(qe  qt )  lg qe  k1.t /
2,303

(1.9)

Phương trình (1.9) có dạng tuyến tính bậc nhất.
Từ (1.9) ta xác định được qe và hằng số

k1.tg  k1 / 2,303
OM  lg qe

(1.10)

(1.11)


lg(qe – qt)

α
M

0
t
Hình 1.4. Đồ thị sự phụ thuộc của lq (qe – qt) vào t


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
 Vật liệu hấp phụ.
 Ion kim loại nặng.
 Khả năng xử lý kim loại nặng trong dung dịch bằng vật liệu hấp phụ.
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị
2.2.1. Hóa chất
 Anilin 99,99 %, d= 1,023 g/ml (Merk – Đức).
 Amoni pesunfat (NH4)2S2O8 99% dạng tinh thể trắng (Merk – Đức).
 Dung dịch HCl 37%, d=1,174 g/ml (Merk – Đức).
 Pb(NO3)2 99% tinh thể trắng (Merk – Đức).
 Etanol, metanol 95% (Trung Quốc).
 NaOH 99% dạng tinh thể trắng (Trung Quốc).
2.2.2. Dụng cụ
 Bình định mức 100 ml, 500 ml, 1000 ml (Đức)
 Bình tam giác 250 ml.
 Cốc thủy tinh 250 ml.
 Pipet có vạch chia 5, 10, 20 ml (Đức).
 Phễu thủy tinh, giấy lọc.
 Rây
2.2.3. Thiết bị
 Tủ sấy Shellab (Mỹ).
 Cân phân tích PA214 (Mỹ).
 Máy khuấy từ IKA (Đức).
 Máy khuấy từ IKA (Đức).
 Thiết bị đo hấp phụ nguyên tử AAS Thermo Anh (Viện Kĩ thuật Nhiệt
đới).
 Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét SEM (Viện Kĩ thuật Nhiệt đơi).
 Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).


2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM
Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) giúp quan sát chụp bề mặt các
đối tượng cực nhỏ để đánh giá cấu trúc nhờ độ phóng đại đến hàng chục vạn
lần.
Cơ sở của phương pháp: trong kính hiển vi điện tử mẫu bị bắn phá bởi
chùm tia điện tử có độ hội tụ cao. Nếu mẫu đủ mỏng (< 200 nm) chùm tia sẽ
xuyên qua mẫu, sự thay đổi của chùm tia khi qua mẫu sẽ cho những thông tin
về các khuyết tật, thành phần pha của mẫu, đó là kỹ thuật hiển vi điện tử
xuyên qua (TEM). Khi mẫu dày hơn thì sau khi tương tác với bề mặt tia điện
tử thứ cấp sẽ đi theo hướng khác. Các điện tử thứ cấp này sẽ được thu nhận và
chuyển đổi thành hình ảnh (ảnh hiển vi điện tử quét SEM).
SEM cho biết được chi tiết nano của mẫu nghiên cứu như hình dạng,
kích thước hạt, biên giới hạt.
2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
Phân tích phổ hồng ngoại (IR) [13] ta xác định được vị trí của vân phổ
và cường độ, hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thường được ghi dưới
dạng đường cong sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I0/I) vào số
sóng (   1 ).
Phương pháp phổ hồng ngoại được sử dụng trong nghiên cứu để xác
định cấu trúc của vật liêu compozit đã tổng hợp.
2.3.3. Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử [6] là phương pháp dùng để xác
định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch dựa vào đinh luật Bughe –
Lambe – Bia theo phương trình:

A  k.C.
l

(2.1)


Trong đó:

A : cường độ vạch phổ hấp
thụ. k: hằng số thực nghiệm.
l: chiều dài môi trường hấp thụ.
C: nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
Dựa vào giá trị mật độ quang, người ta xác định nồng độ nguyên tử của
nguyên tố cần xác định trong thể tích mẫu. Mật độ quang của lớp hấp thụ tỉ lệ
thuận với nồng độ của nguyên tử chứa trong đó tại bước sóng hấp thu ứng với
nguyên tố đó. Tính tỉ lệ này được bảo toàn trong một nồng độ nhất định, tùy
thuộc vào tính chất của nguyên tố cần xác định và tính chất của đèn.
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử được sử dụng để xác định hàm
lượng của các kim loại trước và sau khi hấp thu.
2.4. Tổng hợp vật liệu
2.4.1. Xử lý bã chè trước tổng hợp
Xử lý bã chè trước khi tổng hợp được tiến hành qua các bước sau:
0

Bước 1: Ngâm bã chè thu thập được trong nước ở nhiệt độ ở 80 C trong
thời gian 30 phút. Lặp lại nhiều lần cho đến khi nước ngâm không còn màu
của bã chè lúc đầu, lọc bỏ nước.
0

Bước 2: Bã chè sau khi ngâm, đem sấy ở 100 C trong thời gian 5 tiếng
để loại bỏ hơi nước.
Bước 3: Bã chè ở dạng thô được nghiền nhỏ.
Bước 4: Ngâm bã chè thu được với etanol trong khoảng thời gian 2 tiếng
Bước 5: Bã chè sau khi ngâm được hoạt hóa bằng axit HCl 0,05M.
0

Bước 6: Sấy bã chè thu được sau bước 5 và sấy ở 80 C trong 8 tiếng, ta
thu được vật liệu biến tính
2.4.2. Tổng hợp vật liệu
Vật liệu tổng hợp được tiến hành qua các bước:


Bước 1: Pha hóa chất:
 Pha 1000 mL (NH4)S2O8 0,5 M: cân 114 gam (NH4)2S2O8 cho vào bình
định mức chứa sẵn 1000 mL nước cất thu được dung dịch (1).
 Pha 100 mL HCl 0,1M: lấy 200 mL HCl 0,5 M cho vào cốc thủy
tinh loại 1000 mL, định mức đến 500 mL.
 Pha 100 mL dung dịch Anilin 0,25 M và HCl 0,1 M: thu được
dung dịch (2).
Bước 2: Tổng hợp PANi: lấy 500 mL dung dịch (2) vào cốc 1000 mL,
hệ được đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Nhỏ từ từ 200 mL dung dịch (1)
vào cốc (2) dưới điều kiện có khuấy trong khoảng 10 – 15 phút. Sau khoảng
20 phút, dung dịch trong cốc bắt đầu xuất hiện màu xanh, đó là thời điểm các
polime hình thành, rồi chuyển sang màu xanh đen. Tiếp tục cho phản ứng tiến
hành trong thời gian 8 giờ trên máy khuấy từ cho quá trình polime hóa xảy ra
được hoàn toàn.
Sản phẩm được lọc và rửa bằng dung dịch axeton: metanol tỉ lệ 1:1 để
0

loại bỏi hết anilin dư. Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 70 C trong thời gian 5 giờ,
sau đó đưa vào lọ đựng và bảo quản trong bình hút ẩm.
Bước 3: Tổng hợp vật liệu từ bã chè: lấy 500 mL dung dịch (2) vào cốc
1000 mL, hệ được đặt trên máy khuấy từ để khuấy trộn. Cho thêm 50 gam bã
chè đã qua xử lý vào cốc phản ứng và tiếp tục khuấy trong vòng 20 phút. Nhỏ
từ từ 200 mL dung dịch amoni pesunfat vào cốc phản ứng dưới điều kiện có
khuấy trong vòng 10 -15 phút. Tiếp tục cho phản ứng tiến hành trong thời
gian 8 giờ trên máy khuấy từ.
Sản phẩm được lọc, rửa và sấy khô tương tự như đối với PANi. Thu
được vật liệu compozit PANi – BC.
2.4.3. Khảo sát khả năng hấp thu của các vật liệu đối với ion Pb
2.3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian

2+


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×