Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC QUẢN LÝ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THAN VỎ HẠT MẮC-CA KẾT HỢP TỪ TÍNH SẮT ỨNG D
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vật liệu nghiên cứu
Mẫu nước thải nhiễm ion kim loại kẽm giả định được pha chế từ muối kẽm(II) sulfate heptahydrate (ZnSO4.7H2O) Muối kẽm được hòa tan bằng nước cất cho dung dịch ion Zn 2+ có nồng độ 500 ppm, từ đó tiếp tục pha loãng để thu được mẫu nước thải giả định chứa ion Zn 2+ với nồng độ 25 ppm, phù hợp với nghiên cứu
Vỏ hạt Mắc-ca được thu thập ở huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng
3.1.3 Thiết bị và dụng cụ
Bả ng 3.1 Những thiết bị sử dụng trong đề tài
STT Tên thiết bị/Model, hãng sản xuất – Nước sản xuất Mục đích
1 Cân phân tích/PA214C, Ohaus - Mỹ Cân mẫu, hóa chất 2 Máy khuấy từ có gia nhiệt/C-MAG HS4, IKA - Đức Khuấy trộn
3 Tủ sấy 250 o C/Ecocell L111, MMM - Đức Sấy mẫu
4 Lò nung/B150 Nabita – Mỹ Nung mẫu
5 Máy lắc ly tâm/KS 260B Lắc mẫu
6 Máy đo pH/Mettler Tolode Đo pH dung dịch
7 Nhiễu xạ tia X (XRD)- Equinox 5000, Pháp - nguồn phóng xạ đồng Kα; bước sóng = 1,5406 Å Xác định thành phần pha tinh thể
8 Kính hiển vi điện tử quét kết hợp với phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDX)
Phân tích hình thái bề mặt, sự phân bố của các nguyên tố trên bề mặt 9 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Phân tích hình thái, cấu trúc vật liệu 10 FT-IR/NIR (Frontier/PerkinElmer, USA) Xác định nhóm chức bề mặt
11 Phương pháp hấp phụ - giải hấp phụ khí N2 (Micromeritics-TriStar II Plus) Đo diện tích bề mặt vật liệu
12 Từ kế mẫu rung (VSM) Đo tính chất từ
13 Máy đo phổ hấp thu nguyên tử
(Atomic Absorbtion Spectrometric-AAS, ContraAA800D-Đức) Đo nồng độ kẽm trong nước
Các dụng cụ dùng trong thí nghiệm bao gồm: cuvet, bình định mức các loại, bình tam giác 100 mL và 250 mL, bóp cao su, chai thủy tinh, phễu thủy tinh, giấy lọc, ống nghiệm, bình hút ẩm, cốc thủy tinh các loại, đũa thủy tinh, ống đong các loại, pipet các loại, chai thủy tinh tối màu,
Bả ng 3.2 Những hóa chất sử dụng trong đề tài
STT Hóa chất Mục đích sử dụng
1 Zinc Sulfate heptahydrate (ZnSO4.7H2O) Điều chế mẫu nước thải giả định 2 Sulfate heptahydrate (FeSO4.7H2O) Tổng hợp oxit sắt từ
3 Chloride hexahydrate (FeCl3.6H2O) Tổng hợp oxit sắt từ
4 Sodium hydroxide (NaOH) Điều chỉnh pH
5 Hydrochloric acid (HCl) Điều chỉnh pH
6 Potassium carbonate khan (K2CO3) Hoạt hóa than
Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt Mắc-ca bằng tác nhân hóa học K2CO3;
Nội dung 2: Phân tích hình thái, cấu trúc, thành phần, tính chất từ của vật liệu bằng các phương pháp SEM-EDX, TEM, BET, FTIR, XRD và VSM
Nội dung 3: Ứng dụng than hoạt tính xử lý Zn(II) trong nước thải giả định và khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ;
Nội dung 4: Ứng dụng than hoạt tính xử lý Zn(II) trong nước thải giả định và khảo sát ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ;
Nội dung 5: Ứng dụng than hoạt tính xử lý Zn(II) trong nước thải giả định và khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ và phân tích động học của quá trình hấp phụ;
Nội dung 6: Đề nghị cơ chế của quá trình hấp phụ sử dụng vật liệu than hoạt tính tổng hợp từ vỏ hạt Mắc-ca.
Bố trí thí nghiệm
Than hoạt tính được điều chế từ vỏ hạt Mắc-ca theo phương pháp được đề xuất bởi Đào Minh Trung và các cộng sự [65] Cụ thể, vỏ hạt Mắc-ca, sau khi được làm sạch và phơi khô kĩ, tiếp tục được nghiền thành bột Sau đó, bột được ngâm trong dung dịch K2CO3 trong vòng 24h với tỷ lệ giữa khối lượng K2CO3 và khối lượng bột Mắc-ca là 1:1 Cuối cùng, chất rắn thu được từ quá trình này được rửa bằng nước cất và tiếp tục nung khô ở 650 o C trong vòng 1h Bột thành phẩm sau đó được bảo quản trong bình chân không để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo Quy trình kết hợp giữa vật liệu từ tính và than hoạt tính điều chế từ vỏ hạt Mắc-ca được mô tả như Hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình điều chế than hoạt tính mang từ tính từ vỏ hạt Mắc-ca
3.3.2 Thí nghiệm 2: Điều chế than hoạt tính mang từ tính
Quá trình kết hợp than hoạt tính và vật liệu từ tính được dựa trên phương pháp đề xuất bởi Han, Z và các cộng sự [66], với một số điều chỉnh phù hợp Theo đó, 100 mL dung dịch sắt(II) sulfate (FeSO4) 0,13M được thêm vào 100 mL dung dịch sắt(III) chloride (FeCl3) 0,25M nhằm thu được hỗn hợp với tỷ lệ nồng độ giữa hai ion Fe 2+ /Fe 3+ là 1:2 Tiếp theo, sau khi 5 g than hoạt tính được thêm vào, hỗn hợp được tiếp tục đun đến 65 o C và sau đó được làm mát đến 40 o C Dung dịch NaOH 5M được thêm vào cho đến khi pH của dung dịch đạt giá trị 10,0 Hỗn hợp tiếp tục được khuấy đều trong 1h và được để ổn định qua đêm Chất rắn thu được sau đó được rửa bằng nước cất cho đến khi đạt pH bằng 7,0 và tiếp tục được sấy khô ở 80 o C
3.3.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát khả năng xử lý Zn(II) của than hoạt tính
Quá trình hấp phụ ion Zn 2+ bằng vật liệu than hoạt tính mang từ tính được tiến hành bằng cách thực hiện các thí nghiệm liên tiếp nhau Cụ thể, mỗi ống nghiệm, bao gồm 15 mg chất hấp phụ và 50 mL dung dịch chứa ion kim loại cần được xử lý, được khuấy đều ở tốc độ 150 vòng/phút Và các thí nghiệm được lặp lại ba lần với cùng nồng độ ban đầu của ion Zn 2+ là 25 ppm Sau khi tiến hành quay ly tâm nhằm phân tách phần chất rắn, mẫu dung dịch sau quá trình hấp phụ được thu thập Trong quá trình thực nghiệm, ảnh hưởng của pH đối với quá trình hấp phụ (với liều lượng chất hấp phụ là 0,3 g L -1 và thời gian hấp phụ là 60 phút) được khảo sát trong khoảng pH từ 2 đến 5 Giá trị pH của dung dịch khảo sát được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 0,1M hoặc dung dịch HCl 0,1M Bên cạnh đó, ảnh hưởng của liều lượng chất hấp phụ cũng được khảo sát trong khoảng giá trị từ 0,2 đến 1,8 g L -1 ở điều kiện pH = 4,0 và thời gian hấp phụ là 60 phút Sau đó, tính chất động học của quá trình được tiếp tục khảo sát khi sự hấp phụ được thực hiện với nồng độ ban đầu của ion kẽm là 25 ppm, liều lượng chất hấp phụ là 1,4 g L -1 và giá trị pH của dung dịch là 4,0, và được tiến hành trong các khoảng thời gian khác nhau từ 20 đến 120 phút Nhằm đánh giá hiệu quả xử lý ion Zn 2+ của vật liệu ở mỗi thí nghiệm, nồng độ cân bằng của ion kẽm trong dung dịch thu được sau quá trình hấp phụ được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) sử dụng thiết bị ContraAA800D – Đức Qua đó, liều lượng hấp phụ (qe - mg g -1 ) và hiệu quả xử lý kim loại nặng (H%) được tính toán lần lượt bằng công thức (3) và (4) [16, 67], với C0 và Ce (mg L -1 ) lần lượt là nồng độ cân bằng của ion kẽm trong dung dịch trước và sau khi được hấp phụ; m(g) là khối lượng chất hấp phụ và V(L) là thể tích dung dịch qe = (𝐶 0 −𝐶 𝑒 )𝑉
3.3.4 Phương pháp thu thập thông tin, kế thừa tài liệu
Kế thừa tài liệu đã có liên quan trực tiếp đến quá trình nghiên cứu được công bố ở các cấp, các ngành Tài liệu này chủ yếu bao gồm:
- Các công trình nghiên cứu, đề tài và tạp chí khoa học
- Sử dụng các nguồn số liệu, thông tin từ các website chuyên ngành trên internet và các sách, báo có liên quan đến vấn đề cần nghiên cứu nhằm rút ngắn thời gian và kế thừa kết quả trước đó
3.3.5 Phương pháp đo đạc và phân tích mẫu
- Cấu trúc tinh thể của hỗn hợp được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
(X-ray Diffraction – XRD), sử dụng máy đo nhiễu xạ Equinox 5000 – Pháp, được trang bị nguồn phóng xạ đồng Kα với bước sóng = 1,5406 Å Bên cạnh đó, hệ thống được điều chỉnh điện áp gia tốc ở 35 kV, cường độ dòng là 25 mA Hình thái bề mặt cũng như sự phân bố trong không gian của vật liệu được xác định bằng kĩ thuật SEM- EDX; S4800 (Hitachi, Nhật Bản) ở điện áp 1,0–5,0 keV Tiếp theo, kĩ thuật TEM và phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR lần lượt được tiến hành bằng kính hiển vi JEOL JEM- 1010 – Nhật Bản (ở điện áp 80 kV) và máy phổ FT-IR/NIR (Frontier/PerkinElmer, USA) Ngoài ra, diện tích bề mặt của vật liệu cũng được xác định bằng phương pháp hấp phụ - giải hấp phụ N2, sử dụng thiết bị Micromeritics-TriStar II Plus;
- Bảo quản mẫu - theo TCVN 4556:1988;
- Xác định nồng độ Zn(II) bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) sử dụng thiết bị ContraAA800D – Đức
3.3.6 Phương pháp xử lý số liệu
Ghi nhận số liệu làm thực nghiệm, sử dụng các phần mềm xử lý số liệu ANOVA, T-test, origin…để so sánh, đưa ra đồ thị, bảng vẽ, đưa ra kết quả tin cậy,…
Tiến hành làm thực nghiệm ở phòng thí nghiệm, điều chế vật liệu sinh học bởi các tác nhân hóa học, sử dụng máy AAS trong phòng thí nghiệm khoa Môi trường để đo độ hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu.
