Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch nước bằng xơ dừa và than gáo dừa

Vật liệu xơ dừa và than gáo dừa được hoạt hóa bằng dung dịch HCl và khảo sát khả năng hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch nước. Kết quả khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Cr(VI) trên xơ dừa và than gáo dừa hoạt hóa cho thấy thời gian hấp phụ đạt cân bằng là 60 phút, tại pH= 1,30 với xơ dừa và pH = 1,52 với than gáo dừa.

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG XƠ DỪA VÀ THAN GÁO DỪA TRẦN THỊ BÍCH THỦY ĐỒN HỒNG PHƯƠNG THANH - VÕ THỊ LỢI Khoa Hóa học Tóm tắt: Vật liệu xơ dừa than gáo dừa hoạt hóa dung dịch HCl khảo sát khả hấp phụ Cr(VI) dung dịch nước Kết khảo sát điều kiện ảnh hưởng đến khả hấp phụ Cr(VI) xơ dừa than gáo dừa hoạt hóa cho thấy thời gian hấp phụ đạt cân 60 phút, pH= 1,30 với xơ dừa pH = 1,52 với than gáo dừa Khi có mặt ion lạ Na+, Ca2+ dung dịch Cr(VI) hiệu suất hấp phụ Cr(VI) xơ dừa than gáo dừa hoạt hóa giảm theo chiều Na+> Ca2+ Dung lượng hấp phụ cực đại Cr(VI) xơ dừa hoạt hóa khoảng 4,24mg/g than gáo dừa hoạt hóa khoảng 0,24mg/g phù hợp tuân theo phương trình động học Langmuir Từ khóa: Hấp phụ, Cr(VI), xơ dừa hoạt hóa, than gáo dừa hoạt hóa MỞ ĐẦU Nước nguồn nguyên liệu quý giá, giữ vai trò quan trọng trình hình thành phát triển sinh quyển, khơng thể khơng có sống khơng có nước Nước đóng vai trị quan trọng đời sống người q trình sản xuất cơng nghiệp, nơng nghiệp…Ngày định hướng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, cơng nghiệp đà phát triển, khu công nghiệp ngày xây dựng nhiều nơi Do lượng nước thải ngày gia tăng; nước thải cịn chứa loạt chất ô nhiễm dạng hữu cơ, vô cơ, vi sinh kim loại nặng: Cr(VI), Cr(III), Mn(II), Hg(II), Pb(II),…[1] thành phần gây ô nhiễm độc hại cho thể động thực vật môi trường Đặc biệt nước thải từ công nghiệp mạ điện, công nghiệp khai thác mỏ, thuộc da,… có nhiều crom [2, 3] Trong dung dịch nước ion Cr(III) không độc Cr(VI) độc hại mơi trường thể người, gây nguy hiểm cho gan, thận, đường hơ hấp cịn gây bệnh răng, miệng, kích thích da… Trong cơng trình này, chúng tơi nghiên cứu, xử lí Cr(VI) có dung dịch nước xơ dừa than gáo dừa loại vật liệu đơn giản rẻ tiền, dễ kiếm toàn quốc THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu phương pháp 2.1.1 Nguyên vật liệu - hóa chất nghiên cứu - Các loại hóa chất: K2Cr2O7, HCl, H2SO4, muối Morh, điphenylamin, CaCl2, NaCl, dạng PA Trung Quốc, than hoạt tính gáo dừa Bến Tre (than Bến Tre), nước cất lần Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2016: tr 319-326 TRẦN THỊ BÍCH THỦY cs 320 - Nguyên vật liệu: Vỏ trái dừa già thu gom nhà hàng bán nước giải khác thành phố Huế để sơ chế thành: Xơ dừa cách bóc vỏ, xé nhỏ từ vỏ trái dừa, cắt nhỏ, sấy khô đến trọng lượng không đổi Than gáo dừa điều chế cách nung gáo dừa điều kiện yếm khí, nghiền nhỏ đến cỡ hạt xác định - Các dụng cụ thiết bị sử dụng phòng Thí nghiệm Hóa Vơ Ứng dụng, khoa Hóa học bao gồm: Các cốc thủy tinh dung tích từ 100 đến 1000mL, ống đong từ 10 đến 250mL, pipet buret cỡ từ 0,2 đến 25mL, cột sắc ký dung tích từ 10 đến 250mL, cân kỹ thuật, cân phân tích… 2.1.2 Hoạt hóa vật liệu - Sơ chế vật liệu: Xơ dừa bóc vỏ, rửa sấy 80oC giờ, sau cắt nhỏ thành sợi khoảng 1cm Gáo dừa phơi khô nung điều kiện yếm khí thu than gáo dừa Than gáo dừa nghiền nhỏ qua rây 1mm - Hoạt hóa vật liệu: Các loại vật liệu hoạt hóa dung dịch HCl điều kiện xác định, để khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch HCl thời gian hoạt hóa: + Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ HCl để hoạt hóa vật liệu cách lấy 100 gam vật liệu ngâm với 1L dung dịch HCl nồng độ 0,5M; 0,75M; 1M; 1,25M; 1,5M; 1,75M Vật liệu sau hoạt hóa rửa nước cất Sau sấy lại 80oC giờ, bảo quản bao plastic + Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng thời gian hoạt hóa vật liệu tiến hành với 100 gam vật liệu ngâm với 1L dung dịch HCl có nồng độ xác định cho loại vật liệu xơ dừa hay than gáo dừa với thời gian là: phút, 15 phút, 30 phút, 45 phút, giờ, Vật liệu sau hoạt hóa xong, rửa nước cất Rồi sấy lại 80oC bảo quản bao plastic 2.2 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu Các loại vật liệu hấp phụ xơ dừa than gáo dừa sau hoạt hóa than gáo dừa Bến Tre tiến hành hấp phụ Cr(VI) dung dịch nước điều kiện: thời gian, pH có mặt ion khác (Na+, Ca2+) Từ tính hiệu suất q trình hấp phụ theo cơng thức: H%  Với CoCr(VI )  CsCr(VI ) CoCr ( VI ) x100% CoCr(VI ) (mg/L): nồng độ Cr(VI) dung dịch ban đầu CsCr(VI ) (mg/L): nồng độ Cr(VI) dung dịch sau thí nghiệm hấp phụ H% (%): hiệu suất hấp phụ Cr(VI) xơ dừa, than gáo dừa Nồng độ dung dịch Cr(VI) xác định phương pháp chuẩn độ với dung dịch muối Morh 0,01M có mặt thị điphenylamin NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC 321 Mỗi thí nghiệm lặp lại lần, kết đánh giá giá trị trung bình Các số liệu thực nghiệm xử lý phần mềm Excel Origin KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu chưa hoạt hóa X¬ dõa Than g¸ o dõa Than BÕn Tre 70 60 HiƯu suÊt (%) 50 40 30 20 10 50 100 150 200 250 Thêi gian hÊp phơ (phót) Hình Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ than gáo dừa, xơ dừa chưa hoạt hóa than Bến Tre Từ hình 1, thấy rằng: thời gian hấp phụ tăng từ 30 phút đến 240 phút hiệu suất hấp phụ Cr(VI) vật liệu tăng lên, đến khoảng 60 phút khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu bảo hòa Khả hấp phụ vật liệu chưa hoạt hóa là: than gáo dừa chưa đến 40% xơ dừa khoảng 40%, nhiều so với than hoạt tính gáo dừa Bến Tre 70% Vì cần phải hoạt hóa loại vật liệu để tăng khả hấp phụ Cr(VI) yêu cầu cần thiết 3.2 Nghiên cứu hoạt hóa vật liệu 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ HCl đến khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu 90 HiÖu suÊt (%) 80 70 60 50 40 Than g¸ o dõa X¬ dõa 30 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Nång ®é HCl (M) Hình Ảnh hưởng nồng độ HCl đến khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu TRẦN THỊ BÍCH THỦY cs 322 Từ hình 2, thấy rằng: nồng độ HCl dùng để hoạt hóa vật liệu tăng từ 0,5M đến 1,75M khả hấp phụ Cr(VI) tăng lên, đến khoảng 1,25M (đối với than gáo dừa) 1,5M (đối với xơ dừa) khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu bão hòa Khả hấp phụ tốt than gáo dừa (64,71%) xơ dừa (92,05%) nồng độ axit dùng để hoạt hóa 1,25M 1,5M Vì chọn nồng độ HCl để thực thí nghiệm Xơ dừa cần hoạt hóa với HCl có nồng độ lớn so với than gáo dừa giải thích xơ dừa có hàm lượng chất hữu nhiều so với than gáo dừa nên cần lượng axit có nồng độ lớn để hoạt hóa 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian hoạt hóa đến khả hấp phụ Cr(VI) ca vt liu 100 Xơ dừa Than gá o dừa HiÖu suÊt (%) 90 80 70 60 50 20 40 60 80 100 120 Thêi gian (phót) Hình Ảnh hưởng thời gian hoạt hóa đến khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu Từ hình 3, thấy thời gian hoạt hóa than gáo dừa HCl 1,25M thời gian hoạt hóa xơ dừa HCl 1,5M tăng lên hiệu suất hấp phụ Cr(VI) than gáo dừa xơ dừa tăng dần từ phút đến 30 phút vật liệu than gáo dừa bắt đầu giảm Nhưng xơ dừa tăng đến khoảng thời gian 60 phút bắt đầu giảm Vì xơ dừa có hàm lượng chất hữu lớn than gáo dừa nên cần thời gian hoạt hóa lâu để đạt hiệu suất hấp phụ tốt Khả hấp phụ tốt than gáo dừa hoạt hóa (79,99%) xơ dừa hoạt hóa (92,05%) thời gian hoạt hóa 30 phút 60 phút Do chọn khoảng thời gian để thực thí nghiệm 3.3 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu Từ hình 4, thấy rằng: thời gian hấp phụ tăng từ 15 phút đến 240 phút hiệu suất hấp phụ Cr(VI) vật liệu tăng lên, đến 60 phút khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu đạt bão hòa Điều giải thích: theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt, phân tử chất bị hấp phụ hấp phụ bề mặt chất hấp phụ di chuyển ngược lại Liên quan đến yếu tố thời gian tiếp xúc chất hấp phụ chất bị hấp phụ, NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC 323 thời gian ngắn chưa đủ để trung tâm hoạt động bề mặt chất hấp phụ “lấp đầy” Cr(VI) Ngược lại, tời gian hấp phụ dài lượng chất bị hấp phụ tích tụ bề mặt chất hấp phụ nhiều, tốc độ di chuyển ngược lại vào nước lớn nên hiệu hấp phụ gần không tăng dần đạt trạng thái cân Khả hấp phụ tốt than gáo dừa hoạt hóa (79,99%) xơ dừa (92,05%) thời gian hấp phụ 60 phút Chọn khoảng thời gian để thực thí nghiệm X¬ dõa Than g¸ o dõa 90 HiƯu st(%) 80 70 60 50 40 50 100 150 200 250 Thêi gian hÊp phơ (phót) Hình Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ vật liệu 3.4 Ảnh hưởng nồng độ H+ đến khả hấp ph Cr(VI) ca vt liu Xơ dừa Than gá o dõa 100 95 HiÖu suÊt (%) 90 85 80 75 70 65 60 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Nång ®é HCl (M) Hình Ảnh hưởng nồng độ H+ đến khả hấp phụ vật liệu TRẦN THỊ BÍCH THỦY cs 324 Từ hình 5, thấy rằng: Khi pHtăng từ 1,05 đến khả hấp phụ vật liệu tăng dần đến cực đại giảm Điều giải thích nồng độ H+ tăngcó thể làm tăng khả khuếch tán ion Cr(VI) dung dịch từ làm tăng khả hấp phụ, nồng độ H+ lớnsẽ xảy hấp phụ cạnh tranh ion H+ ion Cr(VI) làm giảm khả hấp phụ Cr(VI) 3.5 Ảnh hưởng ion lạ đến khả hấp phụ Cr(VI) vật liệu 100 Ca2+ Na+ 90 HiÖu suÊt(%) 80 70 60 50 40 30 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Nång dé ion (M) Hình Ảnh hưởng ion Ca2+ Na+ đến khả hấp phụ xơ dừa hoạt hóa 90 80 Ca2+ Na+ HiƯu st (%) 70 60 50 40 30 20 10 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Nång ®é ion (M) Hình Ảnh hưởng ion Ca2+ Na+ đến khả hấp phụ than gáo dừa hoạt hóa Từ hình 7, thấy có mặt ion lạ Ca2+; Na+ nồng độ ion lạ tăng dần từ 0M đến 0,09M khả hấp phụ Cr(VI) loại vật liệu giảm Điều giải thích hấp phụ cạnh tranh ion lạ với ion Cr(VI) làm giảm khả hấp phụ loại vật liệu NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC 325 Với nồng độ có mặt Na+ khả hấp phụ loại vật liệu giảm mạnh so với Ca2+ Điều giải thích bán kính ion Na+(0,95Å) bé so với Ca2+ (0,99Å) [4] nên khả hấp phụ Na+ tốt so với Ca2+ làm hiệu suất hấp phụ Cr(VI) giảm mạnh có ion Na+ 3.6 Nghiên cứu động học trình hấp phụ Cr(VI) xơ dừa than gáo dừa theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir Hình biểu diễn phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir Cr(VI) dung dịch nước xơ dừa than gáo dừa 80 y = 0.2369x + 2.3072 R² = 0.9859 70 C/Г 60 50 40 30 20 10 0 50 100 150 200 250 300 Nồng độ Cr(VI) lúc cân (mg/L) Hình Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir xơ dừa hoạt hóa Từ hình 8, ta tính khả hấp phụ cực đại xơ dừa hoạt hóa là: Гmax = 4,24mg/g 120 y = 4.0999x + 14.877 R² = 0.9627 100 C/Г 80 60 40 20 0 10 15 20 25 Nồng độ Cr(VI) lúc cân (mg/L) Hình Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir than gáo dừa hoạt hóa TRẦN THỊ BÍCH THỦY cs 326 Từ hình ta tính khả hấp phụ cực đại than gáo dừa hoạt hóa là: Гmax = 0,24mg/g Các kết cho thấy mô hình hấp phụ đẳng nhiệt mơ tả xác q trình hấp phụ Cr(VI) xơ dừa than gáo dừa Vì giá trị lí thuyết 4,24 (mg/g) 0,24 (mg/g) xấp xỉ giá trị thực nghiệm là: 4,32 (mg/g) 0,22 (mg/g) KẾT LUẬN 4.1 Đã nghiên cứu hoạt hóa xơ dừa than gáo dừa để có khả hấp phụ tốt Cr(VI) dung dịch nước dung dịch HCl điều kiện: + Xơ dừa: nồng độ HCl 1,5M với thời gian hoạt hóa + Than gáo dừa: nồng độ HCl 1,25M với thời gian hoạt hóa 30 phút 4.2 Đã nghiên cứu điều kiện để hấp phụ Cr(VI) dung dịch nước đạt tối ưu khoảng thời gian hấp phụ đạt cân 60 phút, pH= 1,30 với xơ dừa pH = 1,52 với than gáo dừa 4.3 Khi có mặt ion lạ Na+, Ca2+ dung dịch Cr(VI) hiệu suất hấp phụ Cr(VI) xơ dừa than gáo dừa giảm theo chiều Na+> Ca2+ 4.4 Dung lượng hấp phụ cực đại Cr(VI) xơ dừa khoảng 4,24 mg/g than gáo dừa 0,24mg/g phù hợp tuân theo phương trình động học Langmuir Lời cám ơn: Các tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Võ Văn Tân tận tình cố vấn, để cơng trình hồn thành TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Lê Thanh Hưng, Phạm Thành Quân, Lê Minh Tâm Nguyễn Xuân Thơm (2008) Nghiên cứu khả hấp phụ trao đổi ion xơ dừa vỏ trấu biến tính, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ, tập 11, số 08, 5-12 Võ Văn Tân (2012) Giáo trình hóa học môi trường, NXB Đại học Huế Lê Văn Cát (2002) Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lí nước thải”, NXB Thống kê Hồng Nhâm (2004) Hóa học vơ - Tập 2, NXB Giáo dục Hồng Nhâm (2004) Hóa học vơ - Tập 3, NXB Giáo dục TRẦN THỊ BÍCH THỦY ĐỒN HỒNG PHƯƠNG THANH VÕ THỊ LỢI SV lớp Hóa 4B, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế ĐT: 0126 663 6761, Email: bichthuy2203@gmail.com ... 0,09M khả hấp phụ Cr(VI) loại vật liệu giảm Điều giải thích hấp phụ cạnh tranh ion lạ với ion Cr(VI) làm giảm khả hấp phụ loại vật liệu NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC... 3.6 Nghiên cứu động học trình hấp phụ Cr(VI) xơ dừa than gáo dừa theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir Hình biểu diễn phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir Cr(VI) dung dịch nước xơ dừa than gáo. .. rửa nước cất Rồi sấy lại 80oC bảo quản bao plastic 2.2 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu Các loại vật liệu hấp phụ xơ dừa than gáo dừa sau hoạt hóa than gáo dừa Bến Tre tiến hành hấp phụ Cr(VI) dung