Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ cu2+ trên vật liệu hấp thu tổng hợp từ bã chè

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
----------

PHẠM THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH
2+

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa lý

HÀ NỘI - 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
----------


PHẠM THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH
2+

HẤP PHỤ Cu TRÊN VẬT LIỆU HẤP THU
TỔNG HỢP TỪ BÃ CHÈ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa lý

Người hướng dẫn khoa học

ThS. Trần Quang Thiện

HÀ NỘI - 2018


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này,em đã nhận được sự giúp
đỡ tận tình của các quý thầy cô, anh chị và bạn bè.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến ThS.Trần Quang Thiện, người thầy đã truyền cho em tri thức
cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người thầy đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành khóa luận này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Hóa học –
Trường ĐHSP Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ, dạy bảo em trong suốt 4
năm học tập tại trường. Cảm ơn anh chị, bạn bè đã luôn bên cạnh, giúp đỡ em
trong suốt thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân đã luôn tin
tưởng, động viên, chia sẻ và hết lòng ủng hộ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô trong Khoa Hóa học –
Trường ĐHSP Hà Nội 2 dồi dào sức khỏe, thành công trong công việc.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Sinh viên

Phạm Thị Vân


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

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

Phạm Thị Vân


BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
Từ viết tắt

Tên tiếng việt

Tên tiếng anh

ANi

Anilin

Aniline

AAS

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử Atomic absorption
spectroscopy

BC

Bã chè

PANi - BC

Polyanilin – Bã chè

PPNN

Phụ phẩm nông nghiệp

PANi

Polyanilin

Polyaniline

IR

Phổ hồng ngoại

Infrared spectroscopy

SEM

Hiển vi điện tử quét

Scanning electron
microscopy


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................ 1
2. Mục tiêu 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
1.2 . Polyanilin ( PANi).................................................................................. 5
1.2.1. Cấu trúc của PANi................................................................................ 5
1.2.2. Phương pháp tổng hợp.......................................................................... 5
1.2.3. Ứng dụng của PANi ............................................................................. 6
1.3. Quá trình hấp phụ .................................................................................... 7
1.3.1. Các khái niệm....................................................................................... 7
1.3.2. Dung lượng hấp phụ cân bằng .............................................................. 7
1.3.4. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ................................................... 8
1.3.5. Động học hấp phụ............................................................................... 11
1.4. Tình hình ô nhiễm môi trường nước ...................................................... 12
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....... 15
2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 15
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị ................................................................... 15
2.2.1. Hóa chất ............................................................................................. 15
2.2.2. Dụng cụ .............................................................................................. 15
2.2.3. Thiết bị ............................................................................................... 16
2.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu........................................................... 16


2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM ...................................... 16
2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS .......................................... 16
2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR ........................................................ 17
2.4. Thực nghiệm ......................................................................................... 17
2.4.1. Tổng hợp vật liệu................................................................................ 17
2.4.1.1. Xử lý bã chè trước khi tổng hợp ...................................................... 17
2.4.1.2. Tổng hợp vật liệu............................................................................. 18
2+

2.4.2. Khả năng hấp phụ của các vật liệu đối với ion Cu ............................ 19
2.4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ............................................... 19
2.4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ................................................. 19
2.4.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH ........................................................ 19
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 20
3.1. Tổng hợp vật liệu .................................................................................. 20
3.1.1. Phổ hồng ngoại IR .............................................................................. 20
3.1.2. Kết quả phân tích SEM...................................................................... 21
2+

3.2. Khả năng hấp phụ ion Cu .................................................................... 22
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian .................................................................... 22
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu ........................................................ 23
3.2.3. Ảnh hưởng của pH ............................................................................. 25
3.3. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir .................................................. 26
KẾT LUẬN.................................................................................................. 29
KHUYẾN NGHỊ.......................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 31


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Số sóng của các vật liệu PANi, BC, PANi – BC .......................... 20
Bảng 3.2. Các thông số của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của vật
liệu PANi – BC. ............................................................................... 27


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc của PANi ......................................................................... 5
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C .............................................. 10
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t ............................... ....... 12
Hình 3.1. Phổ IR của các vật liệu PANi, BC, PANi - BC............................. 20
Hình 3.2. Phổ SEM của các vật liệu PANi – BC, BC, PANi........................ 21
2+

Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ cân bằng của Cu



hiệu suất của quá trình hấp phụ. Nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L,
pH = 7 ................................................................................................. 22
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ. Nồng độ
ban đầu Co = 20 mg/L, pH = 7............................................................. 23
2+

Hình 3.5. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu đến nồng độ của chất bị
hấp phụ và hiệu suất của quá trình hấp phụ. Thời gian hấp phụ t =
120 phút, pH = 7 .................................................................................. 24
2+

Hình 3.6. Ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu đến dung lượng hấp phụ.
Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7............................................... 24
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến nồng độ chất bị hấp phụ và hiệu suất
của quá trình hấp phụ. Thời gian hấp phụ t = 120 phút, pH = 7,
nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L............................................................ 25
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ. Thời gian hấp
phụ t = 120 phút, pH = 7, nồng độ ban đầu C0 = 20 mg/L ................... 26
Hình 3.9. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir quá trình hấp phụ
2+

Cu của vật liệu PANi – BC............................................................... 27
2+

Hình 3.10. Sự phụ thuộc của tham số RL vào nồng độ ban đầu của Cu .... 28


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đất nước Việt Nam ngày càng phát triển. Các khu đô thị, các nhà máy,
xí nghiệp được xây dựng ngày càng nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu của con
người. Tuy nhiên song song với việc phát triển kinh tế về xã hội, vấn đề ô
nhiễm môi trường ở nước ta hiện nay đã và đang trở thành vấn đề nóng bỏng
gây nhiều bức xúc cho dư luận và xã hội. Đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi
2+

2+

2+

2+

3+

trường bởi các ion kim loại nặng độc hại như: Cu , Mn , Pb , Fe , Fe …
ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người và hệ sinh thái.
Trong các nghiên cứu gần đây, polyaniline (PANi) kết hợp với các phụ
phẩm nông nghiệp (PPNN) như bã chè, vỏ lạc, vỏ trấu,… có khả năng hấp
phụ kim loại nặng rất tốt. Ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Thùy Dương (2008)
2+

2+

2+

[5] đã nghiên cứu loại bỏ được các ion Cu , Cd , Mn

bằng cách điều chế

vật liệu hấp phụ vỏ lạc biến tính bằng cách xử lý vỏ trấu bằng NaOH để loại
bỏ các pigmen màu và các chất hữu cơ dễ hòa tan, sau đó este hóa bằng axit
xitric. Theo hướng nghiên cứu này, có nhiều công trình nghiên cứu của các
tác giả khác sử dụng bã chè làm vật liệu hấp phụ cho hiệu suất cao. Vì bã chè
có thành phần cấu trúc xốp và thành phần cellulose nên nó có khả năng tách
kim loại nặng hòa tan và màu trong nước. Phương pháp hấp phụ này có nhiều
ưu điểm là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, phù hợp với đặc điểm
kinh tế Việt Nam là một nước nông nghiệp; phương pháp tổng hợp đơn giản
và không đưa thêm vào môi trường tác nhân độc hại.
2+

Với mong muốn xử lý ion kim loại Cu

trong nước thải có hiệu quả,

tiết kiệm chi phí đồng thời thân thiện với môi trường, em chọn đề tài nghiên
2+

cứu là: “Nghiên cứu động học quá trình hấp phụ Cu trên vật liệu hấp thu
tổng hợp từ bã chè”.

1


2. Mục tiêu nghiên cứu
2+

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ ion Cu và đánh giá khả
2+

năng hấp phụ Cu

của vật liệu hấp phụ.

3. Nội dung nghiên cứu
Tổng hợp vật liệu hấp phụ từ bã chè.
2+

Đánh giá khả năng hấp phụ ion Cu của vật liệu hấp phụ điều chế từ
bã chè.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM.
Phương pháp phổ hồng ngoại IR.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tổng hợp được vật liệu PANi, bã chè, PANi – Bã chè (PANi – BC) với
nguồn nguyên liệu dồi dào để khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng
2+

Cu trong nước.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Bã chè
Trong búp chè chủ yếu có thành phần sinh hóa sau:
Nước: trong búp chè nước là thành phần chủ yếu chiếm từ 75 – 82%.
Ankaloit: trong chè có nhiều loại ankaloit nhưng chiếm hàm lượng
nhiều nhất là cafein từ 3 – 5% thường nhiều hơn cafein ở trong lá cà phê từ
2-3 lần.
Protein và amino acids: trong chè protein phân bố không đều ở các
thành 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 phần tannin làm cho vị chát và
đắng giảm đi. Vì thế trong một chừng mực nào đó, protein có lợi cho phẩm
chất chè xanh.
Tannin: còn gọi chung là hợp chất fenol, trong đó 90% là các dạng
catechin. Nó là một trong những thành phần chủ yếu quyết định đến phẩm
chất chè. Tỷ lệ các chất trong thành phần hỗn hợp của tamin chè không giống
nhau và tùy theo từng giống chè mà thay đổi.
Glutamic acid và pectin: trong lá chè các gluxit không hòa tan chiếm tỉ
lệ lớn và chứa rất ít gluxit hòa tan. Vì thế lá chè càng non chất lượng càng cao
do cellulose và hemixenlulo giảm khi lá non.
Diệp lục và các sắc tố khác gần nó: trong lá chè có chứa diệp lục tố,
carotin và xantofin.
Vitamin: giá trị dinh dưỡng cũng như giá trị dược liệu của chè rất cao
do trong chè có rất nhiều loại vitamin như vitamin A: 56,6; B1: 0,7; B2: 12,2;
C: 27,0 (mg/1000g chất khô) (theo tài liệu của Trung Quốc).
Men: có nhiều loại men trong búp chè non nhưng chủ yếu gồm hai
nhóm chính sau:


 Nhóm thủy phân: men amilase, glucoxidase, prosthesis và một số
men khác.
 Nhóm oxi hóa khử: peroxidase, polyphenoloxidase.
Chất tro: chè khô và chè tươi có hàm lượng tro là khác nhau. Trong
chè,
tro chia thành hai nhóm: không hòa tan trong nước và hòa tan trong nước.
 Bã chè
Với lượng tiêu thụ chè trên toàn quốc mỗi năm khoảng 130.000 tấn thì
lượng bã chè thải ra trên toàn quốc là rất lớn. Một số lượng lớn bã chè để sản
xuất đồ uống thường bị bỏ đi vào môi trường không qua xử lý, đó không chỉ
là một sự lãng phí về tài nguyên mà còn gây ra vấn đề vệ sinh môi trường
trong quá trình phân hủy.
Theo tác giả Hồ Sĩ Tráng (2006) [16], trong bã chè có các thành phần
chính sau:
Cellulose là polysaccharide cao phân tử do các mắt xích β-glucose
[C6H7O2(OH)3]n nối với nhau bằng liên kết 1,4- glucozit. Phân tử khối của
cellulose rất lớn khoảng từ 250000 ÷ 1000000 đ.v.C. Trong mỗi phân tử
cellulose có khoảng 1000 ÷ 1500 mắt xích glucose. Trong các xellulose có
sẵn các nhóm chức hydroxyl (-OH), hemixelluloses và cấu trúc ligin được coi
như những nhóm chức tiềm năng cho việc sử dụng bã chè làm vật liệu hấp
phụ.
Hemixenlulose là polysaccharide phức hợp còn gọi là copolyme vì
trong mạch đại phân tử tồn tại nhiều loại mắt xích saccarit khác nhau. Khi bị
thủy phân đến cùng, hemixenlulose tạo ra các monosaccharide như hexazo,
pentose cũng như dẫn xuất của metoxyuronic. Ngoài ra còn thu được axit
axetic.
Ligin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan C6C3.
Ligin giữ vai trò kết nối giữa cellulose và hemixene. Ligin phần lớn có cấu
tạo không gian do đó không hòa tan trước khi bị phân hủy.


Bã chè có khả năng tách kim loại nặng hòa tan và màu trong nước nhờ
vào cấu trúc xốp và thành phần xenlulozo, hemixenlulozo và ligin. Sự kết hợp
giữa cellulose và hemixenlulose được gọi là holoxenlulozo có chứa nhiều
nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụ thông qua liên kết hidro [16]. Vì
vậy tận dụng nguồn phế thải là bã chè để sản xuất composite trên cơ sở PANi
tạo thành vật liệu hấp phụ kim loại nặng sẽ có ý nghĩa khoa học rất lớn, vừa
tận dụng được phế thải vừa giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường.
1.2 . Polyanilin ( PANi)
1.2.1. Cấu trúc của PANi
Trong điều kiện có mặt tác nhân oxi hóa làm xúc tác, PANi là sản
phẩm của phản ứng cộng hợp nhiều phân tử anilin (ANi).

Hình 1.1. Cấu trúc của PANi [10]
PANi có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa – khử khác nhau. Tại
mỗi trạng thái oxy – hóa khử có một cấu trúc mạch polyme khác nhau và có
màu sắc cũng khác nhau.
1.2.2. Phương pháp tổng hợp
PANi được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa hoặc phương pháp
hóa học. Mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy
nhiên phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nhưng để sản
xuất với lượng lớn dạng PANi bột thì phương pháp hóa học được sử dụng
nhiều hơn [13].
 Tổng hợp bằng phương pháp hóa học


Trong phương pháp hóa học, hóa chất thường được sử dụng là amoni
pesunfat (NH4)2S2O8. Amoni pesunfat đóng vai trò làm chất oxy hóa trong
quá trình tổng hợp PANi và nhờ nó mà tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa
học có thể tạo ra polyme có khối lượng phân tử lớn và độ dẫn điện tối ưu hơn
so với các chất oxi hóa khác.
Tuy nhiên tổng hợp bằng phương pháp hóa học PANi tạo ra không có
độ đồng nhất cao, cần phải trộn với phụ gia bám dính do nó không bám dính
trực tiếp lên bề mặt kim loại.
 Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
Bằng phương pháp điện hóa, người ta có thể tạo ra PANi có tính chất
khác nhau để phù hợp với nhu cầu ứng dụng của người dùng. Đặc biệt
phương pháp này có thể tạo ra màng mỏng PANi có khả năng bám dính tốt
trên bề mặt của các điện cực và ta có thể thay đổi chiều dày của màng tùy
thuộc vào chế độ tổng hợp. Như vậy có thể tạo trực tiếp PANi lên mẫu kim
loại cần bảo vệ, đây chính là ưu điểm của phương pháp điện hóa. Ngoài ưu
điểm này, phương pháp điện hóa còn tạo được sản phẩm có độ tinh khiết cao
và quá trình điện hóa đều xảy ra trên bề mặt điện cực. Tuy nhiên, ở phương
pháp này có một điểm bất lợi về mặt tốc độ polyme hóa, thời gian tạo màng
ứng với thời gian tồn tại điện thế mà tại đó xảy ra phản ứng oxy hóa điện hóa
monome ngắn. Do đó dẫn tới hiệu suất không cao.
1.2.3. Ứng dụng của PANi
PANi có tính điện sắc bởi tại mỗi trạng thái oxy hóa – khử khác nhau
thì PANi lại có màu sắc khác nhau. Nhờ vào tính chất này của PANi mà
người ta ứng dụng nó để tạo ra linh kiện hiển thị điện sắc gồm hai điện cực
[19]: chế tạo tivi có màn hình tinh thể lỏng.


Do khả năng bám dính cao, có điện thế dương nên màng PANi có khả
năng chống ăn mòn cao. Vì thế PANi được ứng dụng trong việc bảo vệ kim
loại [2,6,15].
Hơn thế nữa, PANi còn được ứng dụng để lai ghép với PPNN như bã
chè, bã cafe, vỏ trấu,… để hấp phụ các kim loại nặng trong nước. Đây là
phương pháp có tính ưu việt vượt trội và thân thiện với môi trường [21].
1.3. Quá trình hấp phụ
1.3.1. Các khái niệm [3-4,11-12,14]
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha : khí – rắn,
lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng.
Chất hấp phụ là các chất mà phần tử ở lớp bề mặt có khả năng hút các
phần tử của pha khác nằm tiếp xúc với nó.
Chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ.
Các nhà khoa học phân biệt hấp phụ dựa vào bản chất của lực tương tác
giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Hấp phụ được chia thành hai loại: hấp
phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1.3.2. 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.

q
V
Trong đó:

(C0  Ccb ).

(1.1)

m

q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
Co: nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm ban đầu (mg/l)
Ccb : nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng
(mg/l) m: khối lượng chất bị hấp phụ (g)


V: thể tích chất bị hấp phụ (L)
1.3.3. Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng
độ dung dich ban đầu, được tính bởi:

H

C0  Ccb

.

(1.2)

100(%)
C0
1.3.4. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Theo thời gian, lượng
chất bị hấp phụ di chuyển ngược trở lại pha mang lớn do nó tích tụ được
nhiều trên bề mặt chất rắn. Đến một thời điểm nào đó thì tốc độ giải hấp bằng
tốc độ hấp phụ thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Khi một hệ hấp phụ 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)

(1.3)

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
[3,11-12,14].
Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng hay khí
thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình hấp phụ đẳng
nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir,…
Tùy thuộc vào bản chất của hệ và điều kiện tiến hành quá trình hấp phụ
mà người ta có thể sử dụng các dạng phương trình đẳng nhiệt khác nhau để
mô tả cân bằng hấp phụ như: Frumkin, Temkpin,…
 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir


Phương trình Langmuir được thiết lập với các giả thiết sau [3,1112,14]:
 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
trung tâm 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 được xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhưng
có thể áp dụng cho hấp phụ trong môi trường nước.
Trong pha lỏng, phương trình có dạng:

q  q max .
Trong đó:

K L .C
1 K L
.C

(1.4)

KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir.
q: dung lượng hấp phụ (lượng chất bị hấp phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ).
qmax: dung lượng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lượng chất bị hấp
phụ/ 1 đơn vị chất hấp phụ).
C: nồng độ dung dịch hấp phụ.
Phương trình (1.4) có thể viết dưới dạng:

C

qq
max

.q
1
C
KL

C


max

.

C

(1.5)

Để xác định các hệ số trong phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
người ta chuyển phương trình (1.5) về dạng (1.6) :

C
1
C


q K L .qmax qmax

(1.6)


C/q (g/L)

α
M

0
C (mg/L)
Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C [1]
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 :

1

tan  
qmax

(1.7)

Từ đó xác định được qmax và KL :

KL 

1
C
q

. ta

.q

C



(1.8)

max

có thể xác định tham số cân bằng RL :

RL 
Trong đó:

1
1 C0 .K L

RL : tham số cân bằng.
C0: nồng độ ban đầu (mg/L).
KL: hằng số Langmuir (L/mg).

(1.9)


Phương trình Langmuir xác định được dung lượng hấp phụ cực đại và
mối tương quan giữa quá trình hấp phụ và giải hấp thông qua hằng số
Langmuir KL. Vì thế đây là cơ sở để lựa chọn chất hấp phụ thích hợp cho hệ
hấp phụ.
1.3.5. Động học hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng – rắn, động học hấp phụ xảy ra theo các giai
đoạn kế tiếp [3]:
Giai đoạn thứ nhất, chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp
phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong dung dịch.
Tiếp theo, phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề ngoài của chất
hấp phụ chứa hệ mao quản. Đây là giai đoạn khuếch tán màng.
Sau đó, chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất
hấp phụ. Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ. Đây
chính là giai đoạn hấp phụ thực sự. Trong tất cả các giai đoạn trên, giai đoạn
có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình
động học hấp phụ. Quá trình khuếch tán đóng vai trò quyết định với hệ hấp
phụ trong môi trường nước. Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác định
bởi sự thay đổi nồng độ của chất bị hấp phụ theo thời gian.
 Mô hình động học hấp phụ bậc 1 [22-23]
Theo mô hình này, tốc độ của quá trình hấp phụ thuộc bậc nhất vào
dung lượng hấp phụ

dqt
 k1 ( qe  qt )
dt
Trong đó:
qe : dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qt : dung lượng hấp phụ tại thời điểm t (mg/g).
k1 : hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1

(1.10)


lg(qe – qt)

α
M

0
t
Hình 1.3. Đồ thị sự phụ thuộc của lg(qe – qt) vào t

Tại thời điểm t = 0 áp dụng điều kiện biên: q0 = 0, t = t, qt = qt, phương trình
(1.10) trở thành:

lg(qe  qt )  lg qe  k1.t /
2,303

(1.11)

Phương trình (1.11) có dạng tuyến tính bậc nhất. Từ phương trình xác định
được qe và hằng số:

k1.tan    k1 / 2,303

(1.12)

1.4. Tình hình ô nhiễm môi trường nước
Trên thế giới: Ô nhiễm môi trường nước do kim loại nặng gây ra đang
là vấn đề cấp thiết, là mối nguy hại lớn cho con người và hệ sinh thái. Lịch sử
đã ghi nhận lại những tác hại về ô nhiễm kim loại nặng mà con người phải
gánh chịu. Cho đến ngày 30/4/1997, số người trong hai tỉnh Kumamoto và
Kagoshima mắc bệnh Minamata lên tới 17 ngàn người. Nguyên nhân là do
nguồn nước của họ và thủy sản bị nhiễm thủy ngân hữu cơ (metyl thủy ngân)


do nhà máy hóa chất Chisso thải ra. Theo tờ China Youth Daily (Trung Quốc)
đưa tin, đã có ít nhất 26 người thiệt mạng và hàng trăm người nhiễm bệnh do
2+

nhiễm Cadmium.Tại Anh, hàm lượng Cd

tại các cửa sông bị ô nhiễm rất

cao là 10µg/g.
Ở Việt Nam: Song song với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa là
các khu công ngiệp, khu chế xuất, khu đô thị mọc lên san sát làm cho môi
trường nước bị ô nhiễm nghiêm trọng. Đặc biệt vấn đề ô nhiễm kim loại nặng
đang là một trong những vấn đề nan giải. Nồng độ các kim loại nặng độc hại
trong nước ô nhiễm của các kênh rạch vượt quá giá trị cho phép so với nước
sông rạch không ô nhiễm tăng từ 16 đến 700 lần đối với khu vực miền Nam.
Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải ở các khu công nghiệp luyện kim,
mạ điện, sơn,… rất cao. Nghiên cứu ở khu vực công ty Pin Văn Điển cho
thấy hàm lượng thủy ngân vượt quá mức cho phép 9,04 lần.
 Xử lý môi trường bằng bã chè
Có nhiều phương pháp loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nước như
phương pháp vật lý, sinh học, hóa học,… trong đó hấp phụ là phương pháp
được nhiều nhà khoa học lựa chọn vì có nhiều ưu điểm vượt trội. Họ đã sử
dụng các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ lạc, vỏ trấu, bã chè,… để tạo ra vật
liệu compozit có khả năng hấp phụ kim loại nặng tốt.
Tác giả Huimei Cai và cộng sự (2014) [18] đã khảo sát được sự kết hợp
giữa bã trà và nhôm hoặc bã trà với nhôm và sắt để khử Fluoride trong nước
uống đạt tiêu chuẩn cho phép của Tổ chức y tế thế giới (WHO). Ngoài ra với
2+

mục đích tách loại các ion Cu

và Cd

2+

trong dung dịch nước, các tác giả

Dwivedi và Rajput [20] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion này bằng vật
liệu bã trà.
Tại Việt Nam, 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) [8] 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) [7] đã chế tạo thành công vật liệu
hấp phụ bã chè, oxit nano Fe3O4, oxit từ tính nano Fe3O4 phân tán trên bã chè.


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
 Vật liệu hấp phụ
2+

 Ion kim loại nặng: Cu
 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp
phụ:
nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ, thời gian hấp phụ, môi trường pH.
2.2. Hóa chất – dụng cụ, thiết bị
2.2.1. Hóa chất





Aniline 99,99%, d = 1,023 g/mL, Merk – Đức.
Amoni pesunfat dạng tinh thể rắn, Merk – Đức .
Dung dịch HCl 36,5%, Trung Quốc.
Dung dịch H2SO4 98%, Trung Quốc.

 CuSO4.5H2O 99,99% tinh thể, Trung Quốc.





Bã chè.
Axeton, Trung Quốc.
Metanol, Trung Quốc.
NaOH dạng tinh thể rắn, Trung Quốc

2.2.2. Dụng cụ







Cốc thủy tinh 250 mL.
Bình tam giác 250 mL.
Bình định mức 1000 mL,500 mL,100 mL.
Phễu thủy tinh, giấy lọc.
Pipet có vạch chia.
Rây.


2.2.3. Thiết bị





Máy khuấy từ IKA (Đức).
Tủ sấy Shellab (Mỹ).
Cân phân tích PA214 (Mỹ).
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 đới).
 Thiết bị đo phổ hồng ngoại IR (Viện Kĩ thuật Nhiệt đới).
2.3. Phương pháp nghiên cứu vật liệu
2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM [24] sẽ phóng đại đến
hàng chục vạn lần ảnh chụp bề mặt các đối tượng nghiên cứu cực nhỏ giúp
chúng ta quan sát và đánh giá cấu trúc của nó.
Nguyên tắc hoạt động của phương pháp SEM: bề mặt mẫu sẽ được
quét đi quét lại bởi một chùm điện tử hẹp, sự tương tác giữa điện tử với mẫu
đo sẽ phát ra các bức xạ thứ cấp. Những bức xạ này sẽ được thu nhận và
chuyển đổi thành hình ảnh.
Trong nghiên cứu vật liệu composite PANi – BC, phương pháp SEM
xác định được hình thái và kích thước của vật liệu nghiên cứu.
2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS
Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS [9] là phương pháp dùng để
xác định nồng độ của nguyên tố trong dung dịch vào định luật Bughe –
Lambe – Bia theo phương trình:
Aχ = k. C. L
Trong đó:

Aχ : Cường độ vạch phổ hấp thụ.
C : Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ.
L : Chiều dài môi trường hấp phụ.
k : Hằng số thực nghiệm.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×