Biến tính than hoạt tính bằng chất hoạt động bề mặt ctac để xử lý crom trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC Nguyễn Thị Hiền BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CTAC ĐỂ XỬ LÝ CROM TRONG NƯỚC Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ quy Ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học (Chương trình đào tạo Chuẩn) Cán hướng dẫn: TS Phương Thảo Hà Nội – 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HĨA HỌC Nguyễn Thị Hiền BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CTAC ĐỂ XỬ LÝ CROM TRONG NƯỚC Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ quy Ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học (Chương trình đào tạo Chuẩn) Cán hướng dẫn: TS Phương Thảo LỜI CẢM ƠN Hà Nội – 2021 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Phương Thảo người trực tiếp hướng dẫn định hướng em suốt q trình thực khố luận tốt nghiệp Mặc dù q trình nghiên cứu có nhiều khó khăn đồng hành, bảo đưa lời khun bổ ích để em hồn thành khố luận Em xin cảm ơn thầy, giáo phịng thí nghiệm Hóa mơi trường; thầy, giáo khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội Cùng anh, chị bạn khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em q trình thực nghiên cứu Dù có nhiều cố gắng, song kiến thức mặt chuyên mơn cịn hạn chế định nên báo cáo khơng tránh khỏi sai sót, em kính mong thầy góp ý, bảo giúp đỡ để báo cáo đầy đủ, xác chi tiết Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 06 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Thị Hiền MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan crom 1.1.1 Tính chất crom .2 1.1.2 Nguồn gốc phát thải 1.1.3 Ảnh hưởng crom 1.1.4 Các phương pháp xử lý 1.2 Than hoạt tính 1.2.1 Tổng quan than hoạt tính 1.2.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính 1.2.3 Cấu trúc hóa học bề mặt 10 1.2.4 Nhóm cacbon-oxy bề mặt than hoạt tính 11 1.2.5 Ảnh hưởng nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ 12 1.3 Biến tính than hoạt tính chất hoạt động bề mặt 12 1.3.1 Biến tính than hoạt tính 12 1.3.2 Chất hoạt động bề mặt 13 1.3.3 Biến tính than hoạt tính chất hoạt động bề mặt 14 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1 Đối tượng nội dung nghiên cứu 22 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 22 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 22 2.2 Hoá chất thiết bị nghiên cứu 22 2.2.1 Hoá chất 22 2.2.2 Dụng cụ 23 2.2.3 Thiết bị máy móc 23 2.3 Thí nghiệm 23 2.3.1 Nguyên vật liệu 23 2.3.2 Phương pháp biến tính than 23 2.3.3 Phương pháp xác định nồng độ Crom (VI) 24 2.3.4 Các phương pháp đánh giá khả hấp phụ 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Kết khảo sát sơ khả hấp phụ vật liệu GAC-CTAC 34 3.2 Khảo sát khả hấp phụ cr(VI) vật liệu tối ưu 35 3.2.1 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 35 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hấp phụ Cr(VI) 37 3.2.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại với Cr(VI) vật liệu tối ưu 38 3.2.4 Động học hấp phụ 40 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC BẢNG Bảng Ảnh hưởng biến tính chất hoạt động bề mặt đến khả hấp phụ than hoạt tính 16 Bảng Ký hiệu vật liệu chế tạo từ than hoạt tính 24 Bảng Kết tải trọng hấp phụ vật liệu biến tính nồng độ CTAC khác 34 Bảng Khảo sát thời gian hấp phụ crom(VI) đạt cân vật liệu tối ưu 36 Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến hấp phụ Cr(VI) 37 Bảng Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu tối ưu 38 Bảng Hằng số tốc độ hấp phụ, hệ số hồi quy dung lượng hấp phụ tính theo mơ hình động học biểu kiến bậc bậc so với thực nghiệm 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Chất hoạt động bề mặt 13 Hình Một mixen với phần đầu kị nước hoà tan dầu, phần ưa nước hướng phía ngồi 14 Hình Công thức cấu tạo Cetyltrimethylammonium chloride CTAC 15 Hình Đồ thị đường chuẩn phân tích crom (VI) dải nồng độ 0,4-2 mg/L 25 Hình .Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 28 Hình Đồ thị dạng tuyến tính phương trình Langmuir 29 Hình Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 30 Hình Đồ thị dạng tuyến tính phương trình Freundlich 30 Hình Biểu đồ so sánh khả hấp phụ crom (VI) vật liệu tổng hợp nồng độ CTAC khác 35 Hình 10 Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ Cr(VI) 36 Hình 11 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hấp phụ Cr(VI) 37 Hình 12 Đường tuyến tính hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir vật liệu tối ưu crom (VI) 39 Hình 13 Đường tuyến tính hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich vật liệu tối ưu crom (VI) 39 Hình 14 Mơ hình động học biểu kiến bậc trình hấp phụ cromm (VI) vật liệu tối ưu 41 Hình 15 Mơ hình động học biểu kiến bậc trình hấp phụ crom (VI) vật liệu tối ưu 41 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Nghĩa CTAC Chất hoạt động bề mặt cetyltrimethylammonium chloride GAC Than hoạt tính thơ (ngun khai) GAC-CTAC Than hoạt tính biến tính chất hoạt động bề mặt cetyltrimethylammonium chloride MỞ ĐẦU Tốc độ cơng nghiệp hố, thị hố nhanh gia tăng dân số gây áp lực ngày nặng nề tài nguyên nước vùng lãnh thổ Nguồn nước thải sở sản xuất, nước thải sinh hoạt chưa xử lý xử lý chưa triệt để hàng ngày thải môi trường nước Hậu môi trường nước kể nước mặt nước ngầm nhiều khu vực bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng Kim loại nặng chất ô nhiễm nước đặc biệt nguy hiểm người khả tích tụ sinh học Trong số ion Crom(VI) có độc tính hàng cao Đã có nhiều phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm Crom(VI) môi trường phương pháp kết tủa, trao đổi ion… Một phương pháp nhiều người quan tâm việc sử dụng than hoạt tính để làm vật liệu hấp phụ Crom(VI) môi trường nước, nhiên hiệu hấp phụ chưa cao Than hoạt tính biến tính chất hoạt động bề mặt CTAC làm tăng cường khả hấp phụ Crom(VI) CTAC chất hoạt động bề mặt cation có đầu phân cực (ưa nước) đầu không phân (cực kị nước) Than hoạt tính liên kết với đầu kị nước, đầu lại (ưa nước) liên kết với anion cromat Do vậy, đề tài “biến tính than hoạt tính dạng hạt chất hoạt động bề mặt CTAC để xử lý Crom nước” triển khai nhằm mục đích sử dụng vật liệu hấp phụ GACCTAC để tăng cường hấp phụ GAC với cromat, chất ô nhiễm chọn K2CrO4, chất hoạt động bề mặt CTAC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan crom 1.1.1 Tính chất crom a Tính chất vật lý Crom nguyên tố tương đối phổ biến thiên nhiên Là nguyên tố phổ biến thứ 21 vỏ trái đất Là kim loại cứng, màu xám thép với độ bóng cao Là chất khơng màu, khơng vị dễ rèn[4] b Tính chất hố học Hợp chất crom tìm thấy mơi trường xói mịn crom loại đá, xuất núi lửa phun trào Các trạng thái oxi hoá phổ biến crom +2, +3 +6, với +3 ổn định Các trạng thái +1, +4 +5 Các hợp chất crom với trạng thái oxi hố +6 chất có tính oxi hố mạnh Trong khơng khí, crom oxi thụ động hố tạo thành lớp màng mỏng bảo vệ bề mặt, ngăn chặn q trình oxi hố kim loại phía dưới[3] Trong nguồn nước tự nhiên, crom tồn hai trạng thái oxi hoá ổn định Cr +3 Cr+6, Cr+3 tồn dạng + − 2− 2− − Cr(OH)2+, Cr( ) 2, Cr( ) [28], Cr+6 tồn dạng Cr Cr2 , HCr Trong điều kiện oxi hoá dung dịch Cr, Cr(VI) dạng anion H 4− 42−, phụ thuộc vào pH ( Cr(VI) , ion Cr2 72− chiếm ưu môi trường axit [27] 2− pH cao hơn) Trong điều kiện bình thường nước (từ 6-8) dạng ion 2− , H − Cr2 2− chủ yếu Ở nồng độ tương đối cao Cr(VI) không tồn môi trường cation tự do, mà thực tế tất - Cr(VI) dạng oxi hoá, chúng hoạt động anion -2(ion ) dạng cation Cr(VI).[25] Bản chất tính chất trạng thái crom nước thải khác vùng nước tự nhiên nước thải vùng công nghiệp khác nhau, hợp chất crom phụ thuộc vào đặc tính lý hố mơi trường Sự có mặt crom nồng độ nước thải phụ thuộc vào hợp chất chứa crom sử dụng công nghiệp, vào độ pH, chất thải vô hay hữu từ nguyên liệu chế biến[3]