Chế tạo than hoạt tính từ vỏ cây chùm ngây, ứng dụng hấp phụ metylen xanh trong môi trường nước

Untitled Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 25, Số 2/2020 CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ CÂY CHÙM NGÂY, ỨNG DỤNG HẤP PHỤ METYLEN XANH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Đến tòa soạn 20 11 2019 Đỗ Trà Hương, D[.]

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ CÂY CHÙM NGÂY, ỨNG DỤNG HẤP PHỤ METYLEN XANH TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC Đến tịa soạn 20-11-2019 Đỗ Trà Hương, Dương Thị Tú Anh, Tạ Thị Quỳnh, Nghiêm Thị Hương Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên SUMMARY PREPARATION OF ACTIVATED CARBON FROM MORINGA OLEIFERA SEED POD AND ITS APPLICATIONS FOR ADSORPTION OF METHYLENE BLUE FROM AQUEOUS SOLUTION Activated carbon was prepared from Moringa Oleifera Seed pod by NaOH activation (ACB), and was applied to remove methylene blus (MB) from aqueous solution The ACB was characterized by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) The influence of pH (4 - 10), contact time (30 - 180 min), and the amount of adsorbent (0.01 - 0.07 g) on MB efficiency by the ACB were also investigated The results show that the time to reach adsorption equilibrium and the optimal pH value for adsorption of MB are 7, 90 and 0.05g, respectively The maximum monolayer adsorption capacity of ACB is 185.19 mg/g The as-prepared ACB therefore acts as a promising adsorbent for the removal of MB from aqueous solution Keywords: Activated carbon, adsorption; Moringa Oleifera Seed pod; Langmuir isotherrm; methylene blue MỞ ĐẦU Đặc điểm bật nước thải dệt nhuộm chứa nồng độ cao chất màu hữu bền vi sinh Những hợp chất màu chất ô nhiễm dễ nhận thấy màu sắc chúng Hầu hết ngành công nghiệp dệt, giấy, in ấn… sử dụng phẩm màu sơn để tạo màu cho sản phẩm họ Nước thải ngành công nghiệp không xử lý chưa xử lý triệt để chứa hợp chất hữu độc hại thải vào nguồn nước tự nhiên sông, suối… làm nhiễm độc môi trường nước phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên Do việc tìm phương pháp nhằm loại bỏ chúng khỏi mơi trường nước có ý nghĩa to lớn Hiện có nhiều phương pháp khác nghiên cứu áp dụng để tách loại hợp chất hữu khỏi môi trường nước phương pháp vi sinh, phương pháp điện hóa, phương pháp hóa học, phương pháp liên quan đến UV hay ozon, phương pháp hấp phụ… Trong phương pháp hấp phụ lựa chọn mang lại kết cao Ưu điểm phương pháp tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp làm vật liệu hấp phụ để xử lý nguồn nước ô nhiễm Hơn nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có khơng đưa thêm vào mơi trường tác nhân độc hại khác[1-7] Bài báo trình bày kết nghiên cứu hấp phụ metylen xanh mơi trường nước than hoạt tính chế tạo từ vỏ chùm ngây THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất Nước cất hai lần, dung dịch H2SO4, HNO3, HCl, NaOH, NaCl, metylen xanh (MB) Tất hóa chất có độ tinh khiết phân tích PA 2.2 Phương pháp nghiên cứu 171 Vortex MS Basic 90 phút, với tốc độ 300 vòng/phút, nhiệt độ phòng (25±1OC) Sau tiến hành tách lọc hai phần li tâm với tốc độ 4000 vòng/phút thời gian 30 phút Nồng độ MB sau hấp phụ xác định lại phương pháp UV-Vis 2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian Đưa vào bình tam giác 0,05g ACB 30mL dung dịch MB có nồng độ đầu 97,66 mg/L (đã xác định xác nồng độ) Lắc hỗn hợp bình tam giác máy lắc Vortex MS Basic thời gian 30 đến 180 phút; nhiệt độ phòng (25±1OC), pH = 7, với tốc độ lắc 300 vòng/phút Sau tiến hành tách lọc hai phần li tâm với tốc độ 4000 vòng/phút, thời gian 60 phút Nồng độ MB sau hấp phụ xác định lại phương pháp UV-Vis 2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng ACB Đưa vào bình tam giác có dung tích 100 mL khối lượng khác ACB thay đổi từ 0,01- 0,07g, thêm tiếp vào bình tam giác 30mL dung dịch MB có nồng độ 50,727mg/L (đã xác định xác nồng độ) Các dung dịch giữ ổn định pH = Lắc hỗn hợp bình tam giác máy lắc Vortex MS Basic 90 phút, với tốc độ 200 vòng/phút, nhiệt độ phịng (25±1OC) Sau tiến hành tách lọc hai phần li tâm với tốc độ 4000 vòng/phút, thời gian 60 phút Nồng độ MB sau hấp phụ xác định lại phương pháp UV-Vis 2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Đưa vào bình tam giác 0,05g ACB 30mL dung dịch MB có nồng độ đầu thay đổi: 100,26; 151,30; 210,91; 272,73; 302,34; 359,74; 416,62 mg/L (đã xác định xác nồng độ) Các dung dịch giữ ổn định pH = dung dịch HNO3 Lắc hỗn hợp bình tam giác máy lắc Vortex MS Basic 90 phút, với tốc độ 200 vịng/phút, nhiệt độ phịng (25±1OC) Sau tiến hành tách lọc hai phần li tâm với tốc độ 4000 vòng/phút, thời gian 60 phút Nồng độ MB sau hấp phụ xác định lại phương pháp UV-Vis 2.2.1 Chế tạo than hoạt tính từ vỏ chùm ngây Vỏ thân chùm ngây lấy từ tháng năm 2019 thị trấn Cao Thượng, Tân Yên, tỉnh Bắc Giang) sử dụng để chế tạo vật liệu hấp phụ Trước hết rửa vỏ thân chùm ngây thu thập nước máy để loại bỏ chất bụi bẩn, rửa lại nhiều lần nước cất Sau nung 3000C với tốc độ gia nhiệt 100 C/ phút Để nguội đến nhiệt độ phòng, nghiền nhỏ, rây đến kích thước d  1mm ta thu nguyên liệu đầu, kí hiệu MO [7] Tiến hành hoạt hóa nguyên liệu đầu dung dịch NaOH 0,5M: lấy 25 g nguyên liệu đầu cho vào cốc có 500 mL dung dịch NaOH 0,5M, ngâm 24 Sau rửa nước cất hai lần đến thử phần dung dịch có pH= Ta đem mẫu sấy 1050C giờ, để nguội nhiệt độ phịng Nghiền nhỏ thu than hoạt tính từ vỏ thân chùm ngây, kí hiệu ACB [7] Bảo quản vật liệu thu bình hút ẩm 2.2.2 Khảo sát tính chất tính chất vật lý, đặc điểm bề mặt Hình thái học nguyên liệu MO vật liệu ACB khảo sát kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JSM-6500F hoạt động điện 15 kV Thành phần nguyên liệu MO vật liệu ACB xác định phương pháp phổ tán xạ lượng (EDS) Các phép đo tiến hành Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nồng độ metylen xanh (MB) trước sau hấp phụ xác định phương pháp UV-Vis máy UV-1700 khoa Hóa học- Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên 2.3 Nghiên cứu hấp phụ MB thep phương pháp hấp phụ tĩnh 2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH Đưa vào bình tam giác 0,05g ACB 30mL dung dịch MB có nồng độ đầu 96,75 mg/L (đã xác định xác nồng độ), có pH thay đổi từ đến 10, giữ ổn định dung dịch HNO3và NaOH Lắc hỗn hợp bình tam giác máy lắc 172 hoạt hóa Cụ thể, trước hoạt hóa (hình 1), mẫu vật liệu vỏ chùm ngây (MO) có bề mặt nhẵn, xốp Sau hoạt hóa bazo (hình ) hình thành mao quản dạng lớp, tạo nên nhiều khoảng trống, tăng độ xốp bề mặt bề mặt dẫn đến tiềm ứng dụng làm chất hấp phụ tốt - Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: q= (C0 -C )V cb m Trong đó: V thể tích dung dịch (l), m khối lượng chất hấp phụ (g), C0 nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l), Ccb nồng độ dung dịch đạt cân hấp phụ (mg/l), q dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g) - Dung lượng hấp phụ cực đại xác định theo phương trình hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính: C cb 1 = C cb + q q m ax q m ax b Trong đó: qmax dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g), b số Langmuir KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết khảo sát đặc điểm bề mặt, thành phần vật liệu ACB Hình Phổ đồ EDS nguyên liệu MO Bảng Kết phân tích EDS nguyên liệu MO Nguyên tố C O Ca N S P Mg K Si Na Tổng cộng Hình Hình thái học bề mặt MO Hình Hình thái học bề mặt ACB Từ hình 1, nhận thấy vỏ chùm ngây sau hoạt hóa NaOH có hình thái học bề mặt thay đổi rõ rệt so với chưa % Khối lượng 55,06 27,25 5,07 5,29 0,10 0,11 0,25 0,07 0,16 0,26 100,00 % Nguyên tử 63,82 23,71 1,73 5,16 0,04 0,05 0,14 0,02 0,08 0,16 100,00 Hình Phổ đồ EDS vật liệu ACB 173 thấy thông số vật lý than ACB đạt tiêu chuẩn TCVN 9068 quy định than hoạt tính nên sử dụng việc xử lý nước 3.3 Chỉ số iot vật liêuACB Chỉ số iốt tham số sử dụng để đánh giá khả hấp phụ than hoạt tính Nó thước đo hàm lượng mesopores vật liệu ACB cách hấp phụ iốt dung dịch Các mesopores chịu trách nhiệm làm thay đổi diện tích bề mặt riêng than hoạt tính tạo q trình hoạt hóa axit bazo Kết tính số iot ACB 889 mg/g Theo tiêu chuẩn AWWAB 604 số iốt cao khả hấp phụ lớn Do than hoạt tính ACB chế tạo có khả hấp phụ tốt dùng xử lý nước thải Vì vậy, sử dụng ACB làm vật liệu nghiên cứu khả hấp phụ MB môi trường nước 3.4 Xác định điểm đẳng điện ACB Chuẩn bị dung dịch NaCl 0,1M có pH ban Bảng Kết phân tích EDS vật liệu ACB Nguyên tố C O Ca N P S K Mg Na Tổng cộng % Khối lượng 61,73 26,87 5,08 5,44 0,07 0,10 0,10 0,30 0,32 100,00 % Nguyên tử 69,75 22,79 1,72 5,27 0,03 0,04 0,04 0,17 0.,19 100,00 Kết phân tích phổ tán xạ lượng EDS bảng 1, Kết phân tích cho thấy mẫu nguyên liệu MO có hàm lượng carbon tính theo % khối lượng 55,06% (theo % nguyên tử 63,82%) lượng oxy tính % khối lượng 27,25% (theo % nguyên tử 23,71%) Mẫu vật liệu ACB có hàm lượng carbon tính theo % khối lượng 61,73% (theo % nguyên tử 69,75%) lượng oxy tính theo % khối lượng 26,87% ((theo % nguyên tử 22,79%) Theo kết trên, hàm lượng C vật liệu ACB (61,73 %) cao so với nguyên liệu MO (55,06%); hàm lượng O vật liệu ACB (26,87%) thấp so với nguyên liệu MO (27,25%) Như vậy, mẫu vật liệu ACB có lượng carbon cao lượng oxy thấp cho mẫu có tiềm hấp phụ hiệu việc loại bỏ phẩm nhuộm, ion kim loại nặng chất hữu khác gây chất ô nhiễm môi trường nước 3.2 Một số thông số vật lý than ACB Bảng Kết số thông số vật lý vật liệu ACB 26,33 ± Độ tro (%) 2,67 ± 0,03 Độ ẩm (%) 0,67 ± 0,05 Khối lượng riêng (g/cm3) đầu ( pH i ) điều chỉnh tăng dần từ đến 10 Lấy 10 bình tam giác có dung tích 100mL cho vào bình 0,05g ACB Sau cho vào bình tam giác 50mL dung dịch có pHi tăng dần chuẩn bị sẵn Để yên vòng 48h, sau đem lọc lấy dung dịch xác định lại pH ( pH f ) dung dịch Sự chênh lệch pH ban đầu ( pH i ) pH cân ( pH f ) ΔpH  pH i  pH f , vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc ΔpH vào pH i , điểm giao đường cong với tọa độ mà giá trị ΔpH  cho ta điểm đẳng điện cần xác định Kết từ hình xác định điểm đẳng điện ACB 6,8 Điều cho thấy pH < pHpzc bề mặt vật liệu ACB tích điện dương, pH > pHpzc bề mặt vật liệu ACB tích điện âm Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9068 quy định than hoạt tính có khả xử lý nước thải: Độ ẩm không vượt 8%; Khối lượng riêng lớn 0,336 g/cm3; Tỉ lệ tro lớn cho hiệu hấp phụ cao Từ bảng cho 174 3.5.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ Kết hình cho thấy khoảng thời từ - 30 phút hiệu suất hấp phụ tăng tương đối nhanh; từ 30 - 90 phút tăng theo quy luật gần tuyến tính dần ổn định khoảng thời gian 90 - 180 phút Do vậy, thời gian đạt cân hấp phụ 90 phút Kết sử dụng cho thí nghiệm Hình Đỗ thị xác định điểm đẳng điện ACB 3.5 Hấp phụ MB vật liệu ACB theo phương pháp hấp phụ tĩnh 3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng pH Kết hình Hình Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ MB vào thời gian 3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng ACB Kết hình Hình Đồ thị ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ MB ACB Từ hình cho thấy pH tăng hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ tăng Trong khoảng pH từ ÷ 6, hiệu suất hấp phụ ACB tăng nhanh tăng pH (88,12 - 97,4%), khoảng pH từ ÷ 10 hiệu suất hấp phụ ACB tăng chậm (98,94 - 99,09%) Điều giải thích sau: giá trị pH < pHpzc bề mặt ACB tích điện dương có hấp phụ ion H+ Vì vậy, xuất lực đẩy thuốc nhuộm cation bề mặt chất hấp phụ Ngoài ra, pH thấp nồng độ H+ lớn xảy hấp phụ cạnh tranh với thuốc nhuộm cation tích điện dương trung tâm hấp phụ Do đó, hiệu suất hấp phụ thấp giá trị pH thấp, giá trị pH > pHpzc bề mặt ACB tích điện âm hấp phụ OH- Do lựa chọn pH tối ưu Hình Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ MB vào khối lượng ACB Kết hình cho thấy tăng khối lượng ACB hiệu suất hấp phụ metylen xanh tăng, tăng tuyến tính khoảng khối lượng vật liệu hấp phụ khảo sát Điều lí giải tăng lên diện tích bề mặt tăng lên số vị trí tâm hấp phụ Nhưng dung lượng hấp phụ lại giảm dung 175 lượng hấp phụ tỉ lệ nghịch với khối lượng Tuy nhiên khoảng khối lượng ACB tăng từ 0,05 - 0,07 g, hiệu suất hấp phụ tăng khơng nhiều (từ 99,98 - 99,689%) Vì lựa chọn khối lượng ACB 0,05 g cho nghiên cứu 3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu Kết đưa bảng Từ bảng ta thấy tăng nồng độ chất bị hấp phụ hiệu suất hấp phụ giảm dung lượng hấp phụ MB tăng Từ kết thực nghiệm thu khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu dung dịch MB đến dung lượng hấp phụ vật liệu ACB Chúng tiến hành khảo sát cân hấp phụ theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Kết thể hình Từ hình xác định dung lượng hấp phụ cực đại qmax = 185,19 mg/g số b = 0,19 L/g Bảng 4: Sự phụ thuộc hiệu suất dung lượng hấp phụ vào nồng độ MB Co (mg/L) 100,26 151,30 210,91 272,73 302,34 359,74 416,62 Ccb (mg/L) 1,82 4,42 9,48 27,79 37,14 71,69 117,92 H (%) 98,19 97,08 95,51 89,81 87,82 80,07 71,70 q (mg/g) 59,06 88,13 120,86 146,96 159,12 172,83 179,22 Ccb/q (g/L) 0,03 0,05 0,07 0,18 0,23 0,41 0,65 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ MB ACB theo phương pháp hấp phụ tĩnh cho kết quả: Thời gian đạt cân hấp phụ 90 phút; pH hấp phụ tốt MB 7; Trong khoảng khối lượng vật liệu hấp phụ khảo sát, khối lượng vật liệu tối ưu 0,05g; Khi tăng nồng độ MB khoảng nồng độ khảo sát hiệu suất hấp phụ giảm, dung lượng hấp phụ tăng Quá trình hấp phụ MB ACB tuân theo phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir xác định dung lượng hấp phụ cực đại MB ACB 185,19 mg/g số b = 0,19 L/g Như việc sử dụng vật liệu than hoạt tính vỏ chùm ngây hoạt hóa bazo (ACB) để hấp phụ MB cho kết tốt Các kết thu sở cho định hướng nghiên cứu nhằm ứng dụng ACB việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm Hình 9: Sự phụ thuộc Ccb /q vào Ccb hấp phụ MB KẾT LUẬN Đã chế tạo thành công vật liệu than hoạt tính vỏ chùm ngây hoạt hóa bazo (ACB) Đã xác định đặc điểm bề mặt, nhóm chức, thành phần ACB qua ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) phổ tán xạ lượng (EDS) Đã xác định số thông số vật lý vật liệu ACB: Độ ẩm 2,67 %, độ tro 26,33 %, khối lượng riêng 0,67 g/cm3, số iot 889 mg/g (Xem tiếp Tr 184) 176 ... sau hấp phụ xác định lại phương pháp UV-Vis 2.2.1 Chế tạo than hoạt tính từ vỏ chùm ngây Vỏ thân chùm ngây lấy từ tháng năm 2019 thị trấn Cao Thượng, Tân Yên, tỉnh Bắc Giang) sử dụng để chế tạo. .. 604 số iốt cao khả hấp phụ lớn Do than hoạt tính ACB chế tạo có khả hấp phụ tốt dùng xử lý nước thải Vì vậy, chúng tơi sử dụng ACB làm vật liệu nghiên cứu khả hấp phụ MB môi trường nước 3.4 Xác... đến trình hấp phụ MB ACB Từ hình cho thấy pH tăng hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ tăng Trong khoảng pH từ ÷ 6, hiệu suất hấp phụ ACB tăng nhanh tăng pH (88,12 - 97,4%), khoảng pH từ ÷ 10 hiệu