Nghiên cứu khả năng hấp phụ fe(ii), mn(ii), cr(vi) của quặng sắt biến tính và thử nghiệm xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM DƯƠNG THỊ MÂY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) CỦA QUẶNG SẮT BIẾN TÍNH VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - NĂM 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM DƯƠNG THỊ MÂY NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) CỦA QUẶNG SẮT BIẾN TÍNH VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG Chun ngành: HỐ PHÂN TÍCH Mã số: 60 44 01 18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Hậu THÁI NGUYÊN - NĂM 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa công bố cơng trình khác i LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Thị Hậu, cô giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo Khoa Hóa học, thầy cô Khoa sau Đại học, thầy cô Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên giảng dạy giúp đỡ em trình học tập, nghiên cứu Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè ln bên cạnh, ủng hộ động viên em lúc gặp phải khó khăn để em hồn thành q trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian có hạn, khả nghiên cứu thân hạn chế, nên kết nghiên cứu cịn nhiều thiếu xót Em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo, bạn đồng nghiệp người quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn, để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016 Học viên Dương Thị Mây ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn i Mục lục .iii Danh mục từ viết tắt iv Danh mục bảng v Danh mục hình vi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung ion kim loại nặng 1.1.1 Tình trạng nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng 1.1.2 Tính chất kim loại nặng 1.1.3 Giới thiệu crom, mangan, sắt 1.1.4 Quy chuẩ n Viêṭ Nam về nước thải công nghiệp 1.2 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 1.2.1 Sự hấp phụ 1.2.2 Hấp phụ môi trường nước 1.2.3 Xác đinh ̣ dung lươ ̣ng hấ p phu ̣ cân bằ ng, hiêụ suấ t hấ p phu ̣ 10 1.2.4 Các mơ hình q trình hấp phụ 10 1.3 Một số hướng nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại nặng 13 1.4 Giới thiệu quặng sắt số phương pháp chế tạo vật liệu 14 1.4.1 Giới thiệu quặng sắt 14 1.4.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu 15 Chương 2: THỰC NGHIỆM 18 2.1 Thiết bị và hóa chấ t 18 2.1.1 Thiết bị 18 iii 2.1.2 Hoá chấ t 18 2.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) theo phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử 19 2.2.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II) 20 2.2.2 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Mn(II) 21 2.2.3 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Cr(VI) 22 2.3 Khảo sát sơ khả hấp phụ nguyên liệu 22 2.4 Chế tạo vật liệu hấp phụ 23 2.4.1 Chuẩn bị nguyên liệu 23 2.4.2 Phương pháp chế tạo 23 2.5 Khảo sát sơ Khả hấp phụ VLHP chế tạo 24 2.6 Nghiên cứu số đặc trưng hóa lí ngun liệu VLHP M1 24 2.6.1 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM VLHP M1 24 2.6.2 Thành phần pha nguyên liệu VLHP M1 25 2.6.3 Diện tích bề mặt riêng Nguyên liệu Và VLHP M1 26 2.7 Xác định điểm đẳng điện VLHP M1 26 2.8 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1 theo phương pháp hấp phụ tĩnh 27 2.8.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian 27 2.8.2 Khảo sát ảnh hưởng pH 27 2.8.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng VLHP M1 27 2.8.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1 28 2.9 Khảo sát ảnh hưởng ion Mg(II), Ca(II) tới khả hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1 28 2.10 Xử lý mẫu nước thải chứa Fe(II), Mn(II), Cr(VI) 29 iv Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Kết xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) theo phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử 30 3.1.1 Kết xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Fe(II) 30 3.1.2 Kết xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Mn(II) 30 3.1.3 Kết xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Cr(VI) 31 3.2 Khảo sát khả hấp phụ nguyên liệu 32 3.3 Khảo sát khả hấp phụ VLHP M1 33 3.4 Kết nghiên cứu số đặc trưng hóa lí VLHP M1 34 3.4.1 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM VLHP M1 34 3.4.2 Thành phần pha VLHP M1 34 3.4.3 Diện tích bề mặt riêng 36 3.5 Kết xác định điểm đẳng điện VLHP M1 36 3.6 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1 theo phương pháp hấp phụ tĩnh 37 3.6.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian 37 3.6.2 Khảo sát ảnh hưởng pH 40 3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng VLHP M1 44 3.6.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1 47 3.7 Ảnh hưởng ion Ca(II), Mg(II) tới khả hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1 52 2.10 Xử lí mẫu nước thải chứa Fe(II), Mn(II), Cr(VI) 55 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc BET Brunaur – Emmetle – Teller NL Nguyên liệu SEM Scanning Electron Microscopy UV – Vis Ultraviolet Visble XRD X-ray Diffration VLHP Vật liệu hấp phụ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ của số ion kim loại nước thải công nghiệp Bảng 2.1: Kí hiệu VLHP chế tạo 23 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn Fe(II) 30 Bảng 3.2: Số liệu xây dựng đường chuẩn Mn(II) 31 Bảng 3.3: Số liệu xây dựng đường chuẩn Cr(VI) 32 Bảng 3.4: Số liệu khảo sát khả hấp phụ nguyên liệu ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) 32 Bảng 3.5: Số liệu khảo sát khả hấp phụ VLHP Fe(II), Mn(II), Cr(VI) 33 Bảng 3.6: Số liệu xác định điểm đẳng điện VLHP M1 36 Bảng 3.7: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) VLHP M1 37 Bảng 3.8: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) VLHP M1 38 Bảng 3.9: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) VLHP M1 39 Bảng 3.10: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) VLHP M1 40 Bảng 3.11: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) VLHP M1 42 Bảng 3.12: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) VLHP M1 43 Bảng 3.13: Ảnh hưởng khối lượng VLHP M đến hiệu suất hấp phụ ion Fe(II) 44 Bảng 3.14: Ảnh hưởng khối lượng VLHP M đến hiệu suất hấp phụ ion Mn(II) 45 Bảng 3.15: Ảnh hưởng khối lượng VLHP M đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) 46 v Bảng 3.16: Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Fe(II) đến dung lượng hiệu suất hấp phụ VLHP M1 47 Bảng 3.17: Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Mn(II) đến dung lượng hiệu suất hấp phụ VLHP M1 49 Bảng 3.18: Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Cr(VI) đến dung lượng hiệu suất hấp phụ VLHP M1 50 Bảng 3.19: Dung lượng hấp phụ cực đại số Langmuir Fe(II), Mn(II) Cr(VI) 52 Bảng 3.20: Ảnh hưởng ion Mg(II), Ca(II) đến khả hấp phụ Fe(II), Mn(II), Cr(VI) 53 Bảng 3.21: Kết xử lí Fe(II), Mn(II), Cr(VI) nước thải 55 vi 90 80 H% 70 60 50 40 50 100 150 200 250 Co(mg/L) Hình 3.18: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu Fe(II) Nhận xét: Từ kết thực nghiệm cho thấy, tăng nồng độ Fe(II) ban đầu hiệu suất hấp phụ giảm Trong khoảng nồng độ ban đầu khảo sát từ 26,76  248,99mg/L hiệu suất hấp phụ VLHP M1 giảm từ 87,39  48,85% Từ kết thu bảng 3.16, nghiên cứu cân hấp phụ Fe(II) VLHP M1 nhiệt độ phịng (~25oC) theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Kết trình bày hình 3.19 3.20 18 y = 1.7762Ln(x) - 0.5461 y = 0.1175x + 1.7636 R = 0.994 16 Ccb/q(g/L) q(mg/g) 14 12 10 2 R = 0.9989 0 50 Ccb(mg/L) 100 150 50 100 150 Ccb(mg/L) Hình 3.19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Hình 3.20: Sự phụ thuộc Ccb/q Langmuir VLHP M1 Fe(II) 48 vào Ccb Fe(II) 3.6.4.2 Ảnh hưởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ ion Mn(II) VLHP M1 Kết thể bảng 3.17 hình 3.21 Bảng 3.17: Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Mn(II) đến dung lượng hiệu suất hấp phụ VLHP M1 Ccb(mg/L) q(mg/g) 25,00 2,92 1,38 2,12 88,32 52,83 8,42 2,78 3,04 84,06 75,54 15,27 3,81 4,27 80,78 109,69 30,92 4,92 6,28 71,81 121,20 37,57 5,22 7,19 69,00 149,57 56,47 5,82 9,70 62,25 168,37 67,55 6,30 10,72 59,88 H% Co(mg/L) Ccb/q(g/L) H% 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 50 100 150 200 Co(mg/L) Hình 3.21: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu Mn(II) Nhận xét: Từ kết thực nghiệm cho thấy tăng nồng độ Mn(II) ban đầu hiệu suất hấp phụ giảm Trong khoảng nồng độ ban đầu khảo sát từ 25,00  168,37mg/L hiệu suất hấp phụ VLHP M1 giảm từ 88,30  59,88% 49 Từ kết thu bảng 3.17, nghiên cứu cân hấp phụ Mn(II) VLHP M1 nhiệt độ phịng (~25oC) theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Kết trình bày hình 3.22 hình 2.23 12 y = 1.5306Ln(x) - 0.3742 20 40 60 R = 0.9958 y = 0.1339x + 1.9846 10 R = 0.9973 Ccb/q(g/l) q(mg/g) 80 20 40 Ccb(mg/L) 60 Ccb(mg/L) 80 Hình 3.22: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Hình 3.23: Sự phụ thuộc Ccb/q Langmuir VLHP M1 Mn(II) vào Ccb Mn(II) 3.6.4.3 Ảnh hưởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ ion Cr(VI) VLHP M1 Kết thể bảng 3.18 hình 3.24 Bảng 3.18: Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Cr(VI) đến dung lượng hiệu suất hấp phụ VLHP M1 Co(mg/L) Ccb(mg/L) q(mg/g) Ccb/q(g/L) H% 30,37 3,37 1,35 2,50 88,90 50,88 6,72 2,21 3,04 86,79 89,58 16,06 3,68 4,37 82,07 103,97 19,49 4,22 4,61 81,25 121,34 27,56 4,69 5,88 77,28 159,38 51,84 5,38 9,64 67,47 168,48 56,79 5,58 10,17 66,29 50 H% 95 90 85 80 75 70 65 60 20 40 60 80 100 Co(mg/L) 120 140 160 180 Hình 3.24: Sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ban đầu Cr(VI) Nhận xét: Từ kết thực nghiệm cho thấy, tăng nồng độ Cr(VI) ban đầu hiệu suất hấp phụ giảm Trong khoảng nồng độ ban đầu khảo sát từ 25,00  168,37mg/L hiệu suất hấp phụ VLHP M1 giảm từ 88,89  66,29% Từ kết thu bảng 3.18, nghiên cứu cân hấp phụ Cr(VI) VLHP M1 nhiệt độ phòng (~25oC) theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Kết trình bày hình 3.25 hình 3.26 y = 1.53Ln(x) - 0.5359 12 R = 0.9922 y = 0.1457x + 1.9523 10 Ccb/q(g/l) q(mg/g) 0 20 Ccb(mg/L) 40 60 R = 0.9982 10 20 30 Ccb(mg/L) 40 50 Hình 3.25: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Hình 3.26: Sự phụ thuộc Ccb/q Langmuir VLHP M1 Cr(VI) vào Ccb Cr(VI) 51 60 Từ đồ thị hình 3.20; 3.23 3.26 biểu diễn phụ thuộc Ccb/q (g/L) vào Ccb (mg/L) Fe(II) Mn(II), Cr(VI) tính giá trị dung lượng hấp phụ cực đại qmax số Langmuir b sau: Bảng 3.19: Dung lượng hấp phụ cực đại số Langmuir Fe(II), Mn(II) Cr(VI) Ion Fe(II) Mn(II) Cr(VI) Dung lượng hấp phụ cực đại qmax (mg/g) 8,606 7,468 6,863 Hằng số Langmuir b 0,064 0,066 0,078 *Nhận xét: Từ kết thực nghiệm cho thấy mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir mô tả tốt hấp phụ ion Fe(II), Mn(II), Cr(VI) VLHP M1, điều thể qua hệ số hồi qui phương trình lớn 0,99 Fe(II), Mn(II), Cr(VI) Cũng từ kết thấy khả hấp phụ VLHP M với ion giảm dần theo thứ tự là: Fe(II) > Mn(II) > Cr(VI) Vì bán kính ion Fe(II) r Fe =0,74Ao nhỏ bán kính ion Mn(II) r Mn =0,80Ao nên Fe(II) thuận 2 2 lợi Mn(II) cho trình hấp phụ Cịn Cr(VI) tồn dạng phức oxy anion Cr2O72- nên trình hấp phụ xảy tương tác tĩnh điện thông qua lớp điện kép cấu tạo Cr2O72- cồng kềnh nên khả hấp phụ VLHP M1 Cr(VI) thuận lợi so với Fe(II) Mn(II) Từ giá trị b tính bảng 3.19 giá trị C0 bảng 3.16; 3.17; 3.18 thay vào cơng thức (1.8) tính giá trị 0