Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN http //www lrc tnu edu vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM –––––––––––––––––––––––– NĂNG HỒNG NHUNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ SILICAT VÀ PHOTPHAT, NGHIÊN CỨU KH[.]
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM –––––––––––––––––––––––– NĂNG HỒNG NHUNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ SILICAT VÀ PHOTPHAT, NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - NĂM 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM –––––––––––––––––––––––– NĂNG HỒNG NHUNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ SILICAT VÀ PHOTPHAT, NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC CỦA VẬT LIỆU VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG Chun ngành: HỐ PHÂN TÍCH Mã số: 60 44 01 18 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Ngô Thị Mai Việt THÁI NGUYÊN - NĂM 2015 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, tháng năm 2015 Xác nhận Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn TS Ngô Thị Mai Việt Năng Hồng Nhung i LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc , em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo , Cơ giáo Bơ ̣ mơn Hóa Phân tích và Khoa Hóa ho ̣c , bạn làm luận văn em sinh viên nghiên cứu khoa học Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Thái Nguyên ta ̣o điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i và giúp đỡ em trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè – người giúp đỡ động viên em suốt trình học tập nghiên cứu Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô Ngô Thị Mai Việt , giao đề tài hướng dẫn em hồn thành luận văn Do khả thực nghiệm hạn chế số yếu tố khách quan khác nên luận văn em tránh khỏi thiếu sót.Em mong nhận góp ý bảo Thầy Cô để luận văn em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2015 Học viên Năng Hồng Nhung ii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời Cam Đoan I Lời Cảm Ơn II Mục Lục III Danh Mục Các Từ Viết Tắt IV Danh Mục Bảng Biểu V Danh Mục Các Hình VI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tác dụng sinh hóa mangan niken 1.1.1 Tác dụng sinh hóa mangan 1.1.2 Tác dụng sinh hóa niken 1.2 Tình trạng ng̀n nước bị nhiễm kim loại nặng 1.3 Giới thiệu số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 1.3.1 Phương pháp trao đổi ion 1.3.2 Phương pháp kết tủa 1.3.3 Phương pháp hấp phụ 1.4 Giới thiê ̣u về phương pháp hấ p phu ̣ 1.4.1 Sự hấ p phu ̣ 1.4.2 Hấp phụ môi trường nước 1.4.3 Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng, hiê ̣u suấ t hấ p phu ̣ hiệu suất giải hấp phụ 1.4.4 Các mơ hình q trình hấp phụ 1.4.5 Quá trình hấp phụ động cột 11 1.5 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử 13 1.5.1 Nguyên tắc 13 1.5.2 Phương pháp đường chuẩn 14 1.6 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu hấp phụ 15 1.6.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 15 iii 1.6.2 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 15 1.6.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 16 1.6.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 17 1.7 Mô ̣t số công triǹ h nghiên cứu khả hấ p phụ ion kim loại loại vật liệu chế tạo từ hóa chất 17 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 20 2.1 Thiết bị hóa chất 20 2.1.1 Thiết bị 20 2.1.2 Hóa chất 20 2.2 Chế ta ̣o vâ ̣t liê ̣u hấ p phu ̣ (VLHP) từ silicat photphat 21 2.3 Nghiên cứu số đặc trưng hóa lí vật liệu hấp phụ 22 2.3.1 Ảnh SEM vật liệu hấp phụ 22 2.3.2 Diện tích bề mặt riêng vật liệu hấp phụ 22 2.3.3 Phổ hồng ngoại vật liệu hấp phụ 23 2.3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu hấp phụ 23 2.4 Xác định điểm đẳng điện vật liệu hấp phụ 25 2.5 Xây dựng đánh giá đường chuẩ n xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ Mn(II), Ni(II) theo phương pháp quang phổ hấ p thu ̣ phân tử 26 2.5.1 Khảo sát khoảng nờng độ tuyến tính Mn(II) 26 2.5.2 Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính Ni(II) 27 2.5.3 Dựng đường chuẩn 28 2.5.4 Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng phép đo 35 2.6 Nghiên cứu khả hấp phụ số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh 36 2.6.1 Ảnh hưởng thời gian 37 2.6.2 Ảnh hưởng pH 38 2.6.3 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu 41 2.6.4 Ảnh hưởng nồng độ đầu 42 2.6.5 Ảnh hưởng ion Ca(II), Zn(II), Al(III) hỗn hợp ion Ca(II), Zn(II), Al(III) 45 iv 2.7 Nghiên cứu khả hấ p phu ̣ Mn(II), Ni(II) VLHP theo phương pháp hấp phụ đô ̣ng 48 2.8 Xử lí mẫu nước thải 51 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 Tiế ng Viê ̣t 55 Tiế ng Anh 56 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt TT Từ nguyên gốc BET Brunaur – Emmetle – Teller IR Intrared Spectroscopy SEM Scanning Electron Microscopy UV – Vis Ultraviolet Visble XRD X-ray Diffration ppm Part per million iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn số ion kim loại nước thải công nghiệp Bảng 2.1 Điể m đẳ ng điê ̣n của VLHP 25 Bảng 2.2 Kết khảo sát khoảng nờng độ tuyến tính Mn(II) 26 Bảng 2.3 Kết khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính Ni(II) 27 Bảng 2.4 Các thông số đường chuẩn Mn(II) 30 Bảng 2.5 Các thông số đường chuẩn Ni(II) 31 Bảng 2.6 Các giá trị b’ đường chuẩn Mn(II) 32 Bảng 2.7 Giá trị phương sai Mn(II) 33 Bảng 2.8 Các giá trị b’ đường chuẩn Ni(II) 34 Bảng 2.9 Giá phương sai Ni(II) 34 Bảng 2.10 Giá trị Sbi , LOD, LOQ Mn(II) Ni(II) 36 Bảng 2.11 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Mn(II) Ni(II) 37 Bảng 2.12 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Mn(II) Ni(II) 39 Bảng 2.13 Ảnh hưởng khối lượng VLHP đến khả hấp phụ Mn(II) Ni(II) 41 Bảng 2.14 Ảnh hưởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ Mn(II) Ni(II) vật liệu 43 Bảng 2.15.Các thông số hấp phụ theo mơ hình Langmuir vật liệu hấp phụ 44 Bảng 2.16 Ảnh hưởng các ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả hấp phụ Mn(II) Ni(II) vâ ̣t liê ̣u 46 Bảng 2.17 Ảnh hưởng hỗn hợp các ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu 47 Bảng 2.18 Nồng độ ion Mn(II) sau mỡi phân đoạn thể tích 49 Bảng 2.19.Nồng độ ion Ni(II) sau mỡi phân đoạn thể tích 50 v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 11 Hình 1.2 Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb 11 Hình 1.3 Mơ hình cột hấp phụ 12 Hình 1.4 Dạng đường cong phân bố nờng độ chất bị hấp phụ cột hấp phụ theo thời gian 12 Hình 2.1 Sơ đờ chế tạo vật liệu hấp phụ từ silicat photphat 21 Hình 2.2 Ảnh SEM vật liệu hấp phụ 22 Hình 2.3 Phổ hồng ngoại củavật liệu hấp phụ 23 Hình 2.4 Giản đờ nhiễu xạ tia X vật liệu 24 Hình 2.5 Điể m đẳ ng điê ̣n của VLHP 25 Hình 2.6 Đờ thị khảo sát khoảng nờng độ tuyến tính Mn(II) 27 Hình 2.7 Đờ thị khảo sát khoảng nờng độ tuyến tính Ni(II) 28 Hình 2.8 Đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) 30 Hình 2.9 Đường chuẩn xác định nồng độ Ni(II) 31 Hình 2.10 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào thời gian Mn(II) 38 Hình 2.11 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào thời gian Ni(II) 38 Hình 2.12 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Mn(II) 39 Hình 2.13 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Ni(II) 40 Hình 2.14 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào khối lượng Mn(II) 42 Hình 2.15 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào khối lượng Ni(II) 42 Hình 2.16 Đường đẳng nhiệt hấp phu ̣ VLHP Mn(II) 44 Hình 2.17 Đường đẳng nhiệt hấp phụ VLHP Ni(II) 44 Hình 2.18 Ảnh hưởng ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả hấp phụ Mn(II) vật liệu 46 Hình 2.19 Ảnh hưởng ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả hấp phụ Ni(II) vật liệu 46 Hình 2.20 Ảnh hưởng hỡn hợp các ion Ca(II), Zn(II), Al(III) đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu 47 Hình 2.21 Khả hấp phụ động dung dịch Mn(II) 51 Hình 2.22 Khả hấp phụ động dung dịch Ni(II) 51 Hình 2.23 Sự hấp phụ động ion Mn(II) mẫu nước thải 52 Hình 2.24 Sự hấp phụ động ion Ni(II) mẫu nước thải 52 vi MỞ ĐẦU Trong năm qua kinh tế nước ta có bước phát triển đáng khích lệ, cấu kinh tế chuyển đổi theo hướng cơng nghiệp hóa, đại hóa Tuy nhiên, với phát triển kinh tế, xã hội làm nảy sinh nhiều vấn đề môi trường.Môi trường số thành phố lớn, khu công nghiệp tập trung khu dân cư bị suy thoái, ô nhiễm.Tài nguyên thiên nhiên, đa dạng sinh học bị cạn kiệt, cố mơi trường có chiều hướng gia tăng, phải kể đến thực trạng nhiễm môi trường nước Nước tài nguyên thiên nhiên quý giá, yếu tố thiếu cho hoạt động sống trái đất Việt Nam xứ sở nhiệt đới nguồn nước ngày cạt kiệt nhiều lý khác nhau, có vấn đề nhiễm bẩn ng̀n nước nước thải người nhà máy Điều địi hỏi nhà khoa học phải nghiên cứu đề xuất biện pháp xử lý nước thải có hiệu để đảm bảo phát triển bền vững mơi trường Thực tế có nhiều cơng trình nghiên cứu phương pháp để xử lý chất độc hại có ng̀n nước phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp keo tụ Trong phương pháp đó, phương pháp hấp phụ tỏ có nhiều ưu việt tính kinh tế, tính hiệu quả, thao tác đơn giản dễ thực Ngồi vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, số vật liệu hấp phụ chế tạo từ hóa chất tinh khiết nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu nhằm mục đích hấp phụ ion kim loại môi trường nước nghiên cứu chế tạo vật liệu oxit nano, vật liệu canxi photphat… Cũng theo hướng nghiên cứu đó, chọn đề tài: “Chế tạo vật liệu từ silicat photphat, nghiên cứu khả hấp phụ số ion kim loại nặng môi trường nước vật liệu định hướng ứng dụng” Trong đề tài tập trung nghiên cứu nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ silicat photphat (vật liệu hấp phụ) - Nghiên cứu số đặc trưng hóa lý vật liệu chế tạo bằng phương pháp SEM, BET, IR… - Xác định điểm đẳng điện vật liệu hấp phụ - Nghiên cứu khả hấp phụ số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu theo phương pháp hấp phụ tĩnh - Nghiên cứu khả hấp phụ Mn(II), Ni(II) vật liệu theo phương pháp hấp phụ động - Thăm dò khả xử lý Mn(II), Ni(II) mẫu nước thải vật liệu Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tác dụng sinh hóa mangan niken 1.1.1 Tác dụng sinh hóa mangan Mangan nguyên tố đóng vai trị thiết yếu tất dạng sống.Mangan chất có tác dụng kích thích nhiều loại enzim thể, có tác dụng đến trao đổi chất canxi photpho cấu tạo xương Thức ăn cho trẻ em thiếu mangan hàm lượng enzim phophataza máu xương bị giảm xuống nên ảnh hưởng đến cốt hóa xương, biến dạng… Thiếu mangan gây rối loạn hệ thần kinh bại liệt, co giật… 1.1.2 Tác dụng sinh hóa niken Đối với thực vật , niken không đô ̣c bằ ng thủy ngân , cadimi… ̣c chì, kẽm… Ở nờ ng ̣ 0,1- 0,5 mg/L niken làm giảm đáng kể quá trình phát triể n và quang hơ ̣p của thực vâ ̣t Sự thể hiê ̣n đô ̣c tin ́ h của niken đố i với thực vâ ̣t thay đở i theo từng loài Đối với lồi động vật sống nước tơm , cá… độc tính niken cũng ít so với thủy ngân , đồ ng, cadimi… Khi có sự tương tác ca ̣nh tranh với các cation khác có nước thì đô ̣c tính của niken giảm đáng kể Niken xâm nhâ ̣p vào thể người chủ yế u qua đườn g hô hấ p Khi bi ̣nhiễm ̣c niken, enzym hoạt tính, cản trở trình tổng hợp protein thể gây các triê ̣u chứng khó chiụ , buồ n nôn, đau đầ u… Nế u tiế p xúc nhiề u sẽ ảnh hưởng đế n phổ i, ̣ thầ n kinh trung ương, gan, thâ ̣n và có thể gây các chứng bê ̣nh kinh niên… Ngoài , niken có thể gây các bê ̣nh về da , nế u da tiế p xúc lâu dài với niken sẽ gây hiê ̣n tươ ̣ng viêm da, xuấ t hiê ̣n di ̣ứng ở mô ̣t số người 1.2 Tình trạng nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng Với phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp bùng nổ dân số nhanh chóng giới nói chung Việt Nam nói riêng ng̀n nước bị thiếu nhiễm trầm Ơ nhiễm mơi trường nói chung ô nhiễm môi trường kim loại nặng thải từ ngành cơng nghiệp nói riêng mối đe doạ nghiêm trọng sức khoẻ người an toàn hệ sinh thái Việt Nam nước có kinh tế nông nghiệp hoạt động công nghiệp nhiều năm trở lại với phát triển nhanh chóng nhà máy, khu công nghiệp khiến cho môi trường bị ô nhiễm nặng.Hiện nay, hầu hết ngành công nghiệp đổ trực tiếp chất thải chưa xử lý vào môi trường.Kim loại nặng độc tố thành phần đặc trưng chất thải công nghiệp Hầu hết kim loại nặng tồn nước dạng ion Chúng phát sinh từ nhiều ng̀n khác nhau, chủ yếu từ hoạt động công nghiệp Khác với chất thải hữu tự phân hủy đa số trường hợp, kim loại nặng phóng thích vào mơi trường tờn lâu dài Chúng tích tụ vào mô sống qua chuỗi thức ăn mà người mắt xích cuối Kim loại nặng nguyên tố vi lượng cần thiết cho thể người chúng tồn dạng ion với nồng độ lớn, vào thể người chúng lại có độc tính cao [3] Để hạn chế tình trạng nhiễm ng̀n nước từ nước thải ngành công nghiệp, Nhà nước ban hành Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia nước thải công nghiệp (bảng 1.1) Bảng 1.1 Nồng độ giới hạn số ion kim loại nƣớc thải công nghiệp TT Ion kim loại Đơn vị Nồng độ giới hạn A B Mangan mg/L 0,50 1,00 Niken mg/L 0,20 0,50 Chì mg/L 0,10 0,50 Cadimi mg/L 0,05 0,10 Crom (VI) mg/L 0,05 0,10 Crom (III) mg/L 0,20 1,00 Đồng mg/L 2,00 2,00 Kẽm mg/L 3,00 3,00 Cột A quy định nồng độ giới hạn số ion kim loại nước thải công nghiệp xả vào nguồn nước dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt Cột B quy định nồng độ giới hạn số ion kim loại nước thải công nghiệp xả vào ng̀n nước khơng dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt Mục đích sử dụng ng̀n tiếp nhận nước thải xác định khu vực tiếp nhận nước thải 1.3 Giới thiệu số phƣơng pháp xử lý nguồn nƣớc bị ô nhiễm kim loại nặng 1.3.1 Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion phương pháp thường dùng để tách kim loại nặng từ nước thải Nhựa trao đổi ion tổng hợp từ hợp chất vơ hay hợp chất hữu có gắn nhóm : (-SO3H), (-COO-), amin Các cation anion hấp phụ bề mặt nhựa trao đổi ion Khi nhựa trao đổi ion bão hịa, người ta khơi phục lại cationit anionit bằng dung dịch axit loãng dung dịch bazơ lỗng Về mặt kĩ thuật hầu hết ion kim loại nặng tách bằng phương pháp trao đổi ion, phương pháp thường tốn 1.3.2 Phương pháp kết tủa Phương pháp thường dùng để thu hồi kim loại từ dung dịch dạng hiđroxit kim loại tan Ngồi cịn sử dụng chất tạo kết tủa xút, vôi, cacbonat, sunfua Tuy nhiên phương pháp trình xử lý sơ bộ, địi hỏi q trình xử lý 1.3.3 Phương pháp hấp phụ So với phương pháp xử lí nước thải khác, phương pháp hấp phụ có đặc tính ưu việt hẳn Vật liệu hấp phụ chế tạo từ nguồn nguyên liệu tự nhiên phế thải nơng nghiệp sẵn có, dễ kiếm, quy trình xử lý đơn giản, cơng nghệ xử lý khơng địi hỏi thiết bị phức tạp Đặc biệt, vật liệu hấp phụ thường có độ bền cao, tái sử dụng nhiều lần nên giá thành xử lý thấp Trong đề tài này, sử dụng phương pháp hấp phụ để loại bỏ ion Mn(II) Ni(II) nước thải công nghiệp 1.4 Giới thiêụ về phƣơng pháp hấ p phu ̣ 1.4.1 Sự hấ p phụ Sự hấ p phu ̣ là quá triǹ h tić h lũy vâ ̣t chấ t lên bề mă ̣t phân cách pha Chấ t hấ p phu ̣ là những chấ t có bề mă ̣t tiế p xúc lớn mà đó xảy quá trình hấp phụ Chấ t bi ̣hấ p phu ̣ là chấ t đươ ̣c tić h lũy bề mă ̣t chấ t hấ p phu ̣ Khả hấ p phu ̣ của mỗi chấ t tùy thuô ̣c vào bản chấ t , diê ̣n tić h bề mă ̣t riêng của chấ t hấ p phu ̣, nhiê ̣t đô ̣, pH và bản chấ t của chấ t tan [8] Tùy theo chất lực tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ mà người ta chia sự hấ p phu ̣ thành hấ p phu ̣ vâ ̣t lí và hấ p phu ̣ hóa ho ̣c - Hấp phụ vật lý gây lực Vandecvan phân tử chất bị hấp phụ bề mặt chất hấp phụ Liên kết yếu, dễ bị phá vỡ - Hấp phụ hóa học gây lực liên kết hoá học bề mặt chất hấp phụ bề mặt chất bị hấp phụ Liên kết bền, khó bị phá vỡ Hấp phụ hóa học coi trung gian hấp phụ vật lý phản ứng hóa học Để phân biệt hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học, người ta đưa số tiêu chuẩn sau: - Hấp phụ vật lý đơn lớp hay đa lớp, cịn hấp phụ hóa học đơn lớp - Nhiệt lươ ̣ng hấp phụ : hấp phụ vật lý lượng nhiệt tỏa ÷ kcal/mol, hấp phụ hóa học thường lớn 22 kcal/mol - Nhiệt đô ̣ hấp phụ : hấp phụ vật lý thường xảy nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ sôi chất bị hấp phụ), hấp phụ hóa học xảy nhiệt độ cao nhiệt độ sôi - Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý khơng địi hỏi hoạt hóa phân tử xảy nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy chậm - Tính đặc thù: hấp phụ vật lý phụ thuộc vào chất hóa học bề mặt cịn hấp phụ hóa học địi hỏi phải có lực hóa học, phải mang tính đặc thù rõ rệt Tuy nhiên, thực tế phân biệt hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học tương đối ranh giới chúng không rõ rệt Một số trường hợp tờn q trình hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học Ở vùng nhiệt độ thấp xảy trình hấ p phu ̣ vâ ̣t lý, tăng nhiê ̣t đô ̣ khả hấ p phu ̣ vâ ̣t lý giảm và khả hấ p phu ̣ hóa học tăng lên Ngươ ̣c la ̣i với quá trình hấ p phu ̣ là quá trình giải hấ p phu ,̣ đó là quá trình giải phóng chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ [9] 1.4.2.Hấpphụtrongmôitrườngnước 1.4.2.1 Đặc điểm chung hấp phụ môi trường nước Hấp phụ môi trường nước thường diễn phức tạp, hệ có ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ Do có mặt nước nên hệ xảy trình hấp phụ cạnh tranh có chọn lọc chất bị hấp phụ nước tạo cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp có tương tác mạnh hấp phụ xảy với cặp Tính chọn lọc cặp hấp phụ phụ thuộc vào yếu tố: độ tan chất bị hấp phụ nước, tính ưa nước kị nước chất hấp phụ, mức độ kị nước chất bị hấp phụ nước Vì vậy, khả hấp phụ chất hấp phụ chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đờng độ phân cực chúng: chất bị hấp phụ không phân cực hấp phụ tốt chất hấp phụ không phân cực ngược lại Đối với chất có độ phân cực cao, ví dụ ion kim loại hay số dạng phức oxy anion SO 24 , PO 34 , CrO 24 … trình hấp phụ xảy tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép Các ion phân tử có độ phân cực cao nước bị bao bọc lớp vỏ phân tử nước, bán kính (độ lớn) ion, phân tử chất bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả hấp phụ hệ tương tác tĩnh điện [1] Hấp phụ mơi trường nước cịn bị ảnh hưởng nhiều pH dung dịch Sự biến đổi pH dẫn đến biến đổi chất chất bị hấp phụ chất hấp phụ Các chất bị hấp phụ chất hấp phụ có tính axit yếu, bazơ yếu lưỡng tính bị phân li, tích điện âm, dương trung hồ tùy thuộc giá trị pH Tại giá trị pH bằng điểm đẳng điện điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng khơng, giá trị bề mặt chất hấp phụ tích điện âm giá trị bề mặt hấp phụ tích điện dương Đối với chất trao đổi ion diễn biến hệ phức tạp phân li nhóm chức cấu tử trao đổi phụ thuộc vào pH môi trường, đờng thời hệ xảy q trình hấp phụ tạo phức chất [1] Ngoài ra, độ xốp, phân bố lỡ xốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản,… ảnh hưởng tới hấp phụ 1.4.2.2 Đặc tính ion kim loại môi trường nước Để tồn trạng thái bền, ion kim loại môi trường nước bị hiđrat hoá tạo lớp vỏ phân tử nước, tạo phức chất hiđroxo, tạo cặp ion hay phức chất khác Dạng phức hiđrxo tạo nhờ phản ứng thuỷ phân Sự thuỷ phân ion kim loại dung dịch chịu ảnh hưởng lớn pH dung dịch Khi pH dung dịch thay đổi dẫn đến thay đổi phân bố dạng thuỷ phân, làm cho thay đổi chất, điện tích, kích thước ion kim loại tạo phức, hấp phụ tích tụ bề mặt chất hấp phụ, điều ảnh hưởng đến dung lượng chế hấp phụ 1.4.3 Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng , hiê ̣u suấ t hấ p phụ hi ệu suất giải hấp phụ 1.4.3.1 Dung lượng hấp phụ cân Dung lượng hấp phụ cân bằng khối lượng chất bị hấp phụ đơn vị khối lượng chất hấp phụ trạng thái cân bằng điều kiện xác định nồng độ nhiệt độ Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: q (C0 Ccb ) V m (1.1) Trong đó: q: dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g) V: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ (L) m: khối lượng chất hấp phụ (g) Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L) Ccb: nồng độ dung dịch đạt cân bằng hấp phụ (mg/L) 1.4.3.2 Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ tỷ số nồng độ dung dịch bị hấp phụ thời điểm cân bằng nồng độ dung dịch ban đầu Hiệu suất hấp phụ tính theo công thức sau: H (C0 Ccb ) 100% C0 Trong đó: H: hiệu suất hấp phụ (%) (1.2) C0: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/L) Ccb: nồng độ dung dịch đạt cân bằng hấp phụ (mg/L) 1.4.3.3 Hiệu suất giải hấp phụ Hiệu suất giải hấp tỷ số khối lượng chất bị hấp phụ giải hấp so với khối lượng chất bị hấp phụ cột vật liệu Hiệu suất giải hấp tính theo công thức sau: H(%) = mgh m hp (1.3) 100% Trong đó: H: hiệu suất hấp phụ (%) mgh: khối lượng chất bị hấp phụ giải hấp (mg) mhp: khối lượng chất bị hấp phụ cột vật liệu (mg) 1.4.4 Các mô hình trình hấ p phụ Có thể mơ tả q trình hấp phụ dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ Đường đẳng nhiệt hấp phụ biểu diễn phụ thuộc dung lượng hấp phụ thời điểm vào nồng độ cân bằng chất bị hấp phụ dung dịch thời điểm nhiệt độ xác định Đường đẳng nhiệt hấp phụ thiết lập bằng cách cho lượng xác định chất hấp phụ vào lượng cho trước dung dịch có nờng độ biết chất bị hấp phụ Với chất hấp phụ chất rắn, chất bị hấp phụ chất lỏng đường đẳng nhiệt hấp phụ mô tả qua đường đẳng nhiệt : đường đẳng nhiệt hấp phụ Henry, đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich, đường đẳng nhiê ̣t hấ p phu ̣ Langmuir Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Henry Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Henry phương trình đẳng nhiệt đơn giản mơ tả tương quan tuyến tính lượng chất bị hấp phụ bề mặt pha rắn nồng độ (áp suất) chất bị hấp phụ trạng thái cân bằng: a = K.P (1.4) Trong đó: K: hằng số hấp phụ Henry a: lượng chất bị hấp phụ (mol/g) P: áp suất (mmHg) Từ số liệu thực nghiệm cho thấy vùng tuyến tính nhỏ.Trong vùng tương tác phân tử chất bị hấp phụ bề mặt chất rắn không đáng kể Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich phương trình thực nghiệm mô tả hấp phụ xảy phạm vi lớp Phương trình biểu diễn bằng hàm số mũ: q k Ccb n (1.5) Hoặc dạng phương trình đường thẳng: lg q = lg k + lg Ccb n (1.6) Trong đó: q: dung lượng hấp phụ thời điểm cân bằng (mg/g) k: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt yếu tố khác n: hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ lớn Ccb: nồng độ dung dịch đạt cân bằng hấp phụ (mg/L) Phương trình Freundlich phản ánh sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu vùng đường hấp phụ đẳng nhiệt tức vùng nồng độ thấp chất bị hấp phụ Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng: q qmax b.Ccb b.Ccb Trong đó: q: dung lượng hấp phụ thời điểm cân bằng (mg/g) qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) b: hằng số Langmuir Ccb: nồng độ dung dịch đạt cân bằng hấp phụ (mg/L) Khi tích số b.Ccb > q =qmax: mơ tả vùng hấp phụ bão hòa 10 (1.7) ... tạo vật liệu oxit nano, vật liệu canxi photphat… Cũng theo hướng nghiên cứu đó, chúng tơi chọn đề tài: ? ?Chế tạo vật liệu từ silicat photphat, nghiên cứu khả hấp phụ số ion kim loại nặng môi trường. .. trường nước vật liệu định hướng ứng dụng? ?? Trong đề tài tập trung nghiên cứu nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ silicat photphat (vật liệu hấp phụ) - Nghiên cứu số đặc trưng hóa lý vật liệu. .. phụ phụ thuộc vào yếu tố: độ tan chất bị hấp phụ nước, tính ưa nước kị nước chất hấp phụ, mức độ kị nước chất bị hấp phụ nước Vì vậy, khả hấp phụ chất hấp phụ chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc