báo cáo nghiên cứu khoa học ' nghiên cứu quá trình biến tính bentonit thuận hải và ứng dụng hấp phụ ion mn2+ trong nước'

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 112 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH BENTONIT THUẬN HẢI VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ ION MN 2+ TRONG NƯỚC A STUDY ON THE MODIFICATION OF THUAN HAI BENTONITE AND USING IT FOR ADSORPTION OF MN 2+ ION IN AQUEOUS SOLUTION LÊ TỰ HẢI Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng PHAN CHI UYÊN Trường Cao Đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính Bentonit Thuận Hải (đánh giá bằng khả năng hấp phụ Mn 2+ trong nước) đã được khảo sát, khả năng hấp phụ tốt nhất đạt hiệu suất 40,80% khi biến tính tại điều kiện: nồng độ HCl là 5%, nhiệt độ là 60 0 C, tỉ lệ rắn : lỏng là 1:3. Nghiên cứu 2 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Mn 2+ trong nước. Hiệu suất cao nhất đạt được là 59,37% khi thực hiện tại điều kiện: thời gian khuấy là 90 phút, nồng độ Bentonit-H là 2g/100ml dung dịch. SUMMARY The influence of different factors on the modification of Thuanhai Bentonit have been investigated (was estimated by absorption ability of Mn 2+ ). The results showed that the maximum absorption of 40,80% when used Bentonit-H that was modified at conditions HCl of 5%, temperature is 60 0 C, the ratio of solid to liquid is 1 : 3. The influence of 2 factors: shaking time and amount of adsorbent on the absorption capacity of Mn 2+ on the bentonite-H have also been investigated. Maximum absorption of 59,37% was achieved under optimized conditions of 90 min of shaking time and amount of bentonite-H 2,0g in 100 cm 3 solution. 1. Đặt vấn đề Bentonit Thuận Hải đã được sử dụng nhiều trong hấp phụ, nhưng chủ yếu là dùng bentonit tự nhiên; trong khi đó bentonit sau khi xử lý bằng axit (Bentonit- H) lại có nhiều ưu điểm hơn hẳn về khả năng hấp phụ, xúc tác [1,2]. Mangan là nguyên tố vi lượng cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng hằng ngày (30 - 50μg/kg trọng lượng cơ thể). Tuy nhiên, khi nhiễm mangan lâu ngày thì gây ra các ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ tuần hoàn….[3]. Sự ô nhiễm Mn 2+ trong môi trường nước là từ các nhà máy luyện kim, các khu công nghiệp, các mỏ khoáng sản Một số phương pháp đã được sử dụng để tách Mn 2+ như thẩm thấu ngược, xử lý hoá học hay hấp phụ [4,5]. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 113 Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu quá trình tách Mn 2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ bentonit Thuận Hải đã xử lý bằng axit HCl (Bentonit-H). 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Phương pháp xử lý bentonit bằng axit HCl: Quá trình xử lý: Cho một lượng bentonit vào bình cầu 1000ml, sau đó cho vào 100ml dung dịch HCl có nồng độ thay đổi, khi thấy khí thoát ra thì bắt đầu đun nóng ở nhiệt độ xác định, đồng thời khuấy liên tục trong 4h. Sau đó lọc hỗn hợp thu được tách lấy phần sét, rửa sét thu được trên phễu lọc Busne (phễu lọc áp suất thấp) bằng nước cất cho tới khi không còn ion Cl - (thử bằng dung dịch AgNO 3 0,5% cho tới khi không còn thấy xuất hiện kết tủa trắng). Sấy khô sét thu được ở 120 o C trong 4h, nghiền sản phẩm thu được trên cối sứ và rây trên rây cỡ 100μm. Bột thu được là Bentonit-H Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính bentonit như nồng độ axit HCl, nhiệt độ đun hỗn hợp và tỉ lệ rắn-lỏng. Kết quả biến tính được khảo sát bằng quá trình hấp phụ Mn 2+ của bentonit-H. 2.2. Phương pháp hấp phụ tách ion Mn 2+ trong nước: Quá trình hấp phụ được tiến hành bằng kĩ thuật bể với 100ml dung dịch chứa ion Mn 2+ được pha từ dung dịch gốc MnSO 4 0,8g/lít. Sau khi hấp phụ, huyền phù được ly tâm để lấy phần dung dịch trong và đo hàm lượng Mn 2+ còn lại bằng phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử trên máy AAS- Merch. Hiệu suất quá trình hấp phụ (A%) và hằng số phân bố K d được tính như sau [4,5]: %A = 100 0 0 C CC e  Trong đó C 0 là nồng độ Mn 2+ trước khi xử lý, C e là nồng độ Mn 2+ sau khi xử lý. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng biến tính bentonit bằng axit HCl Ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng biến tính bentonit bằng axit HCl được đánh giá qua khả năng hấp phụ ion Mn 2+ trong điều kiện: nồng độ MnSO 4 ~ 80mg/l, nồng độ bentonit 1g/100ml dung dịch, thời gian hấp phụ là 30 phút. 3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl Ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến khả năng biến tính bentonit trong điều kiện: tỉ lệ rắn : lỏng = 1: 4, nhiệt độ 104 0 C, thời gian 4h, nồng độ axit thay đổi từ 5%  20%. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 114 Kết quả thu được trình bày ở bảng 3.1 và hình 3.1. Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến quá trình biến tính bentonit. Nồng độ HCl 0% 5% 10% 15% 20% C 0 (ppm) 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 C e (ppm) 16,62 16,28 23,94 23,94 23,72 %A (%) 34,05 35,40 5,00 5,00 5,87 0 10 20 30 40 0 5 10 15 20 25 Nồng độ HCl (%) %A Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến khả năng biến tính bentonit Hình 3.1 cho thấy khả năng hấp phụ của bentonit sau khi biến bằng axit HCl tốt hơn so với khi chưa biến tính và đạt cao nhất ở nồng độ HCl 5%. Tuy nhiên, khi nồng độ axit tăng thì khả năng hấp phụ của bentonit-H giảm. Nguyên nhân là do HCl hoà tan một số khoáng canxit có trong bentonit làm tăng diện tích bề mặt và kích thước lỗ mao quản; song ở nồng độ axit cao thì một phần Al trong bộ khung của bentonit bị hòa tan dẫn đến làm sập cấu trúc tinh thể của bentonit nên hiệu suất hấp phụ của bentonit giảm. Do đó, nồng độ axit HCl 5% được sử dụng để biến tính bentonit. 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng biến tính Bentonit được thực hiện trong điều kiện: tỉ lệ rắn : lỏng = 1 : 4, nồng độ HCl là 5%, thời gian là 4h, nhiệt độ thay đổi từ 30 o C  104 o C. Kết quả thu được trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.2. Hình 3.2 cho thấy khả năng hấp phụ của bentonit sau khi biến tính bằng axit HCl 5% ở nhiệt độ 60 0 C là tốt nhất so với các nhiệt độ biến tính khác. Nhiệt độ làm cho quá trình xử lý xảy ra nhanh hơn nhưng ở nhiệt độ cao hơn thì khả năng hấp phụ giảm do cấu trúc tinh thể của bentonit bị phá hủy một phần. Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng biến tính bentonit Nhiệt độ ( 0 C) 30 60 90 104 C 0 (ppm) 83,5 83,5 83,5 83,5 C e (ppm) 72,4 60,6 61,1 61,5 %A (%) 13,29 27,43 26,83 26,35 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 115 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 Nhiệt độ %A Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình biến tính Bentonit 3.1.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng đến khả năng biến tính bentonit trong điều kiện: nồng độ HCl là 5%, thời gian là 4h, nhiệt độ là 60 o C, và tỉ lệ rắn : lỏng thay đổi từ 1:1  1:5. Thay đổi tỉ lệ bằng cách giữ nguyên khối lượng bentonit là 10g, thay đổi thể tích HCl 5% từ 10ml đến 50ml. Kết quả thu được trình bày ở bảng 3.3 và hình 3.3. Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng đến khả năng biến tính bentonit Thể tích HCl 10 20 30 40 50 C 0 (ppm) 22,76 22,76 22,76 22,76 22,76 C e (ppm) 14,38 14,13 13,48 13,95 15,52 %A (%) 36,82 37,92 40,80 38,71 31,81 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 Thể tích HCl 5% %A Hình 3.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng đến khả năng biến tính của Bentonit Hình 3.3 cho thấy, khả năng hấp phụ ion Mn 2+ của bentonit biến tính bằng axit HCl 5% tăng khi tỉ lệ rắn - lỏng tăng và đạt cao nhất ở tỉ lệ 1: 3. Tuy nhiên, khi tỉ lệ axit tăng thì sự phá cấu trúc của bentonit xảy ra mạnh nên làm giảm khả năng hấp phụ. 3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hấp phụ ion Mn 2+ trong dung dịch nước trên bentonit-H 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian khuấy Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ Mn 2+ trên bentonit- H được nghiên cứu trong điều kiện: nồng độ MnSO 4 80mg/l, nồng độ bentonit-H TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 116 1g/100ml dung dịch, thời gian thay đổi từ 30 phút đến 240 phút. Kết quả được trình bày ở bảng 3.4 và hình 3.4. Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Mn 2+ của bentonit-H Thời gian (phút) 30 60 90 120 150 180 C 0 (ppm) 24,57 24,57 24,57 24,57 24,57 24,57 C e (ppm) 13,80 13,70 13,55 13,54 13.54 13.53 %A (%) 43,83 44,24 44,85 44,89 44,89 44,93 43.5 44 44.5 45 0 50 100 150 200 Thời gian (phút) %A Hình 3.4: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Mn 2+ của bentonit-H Hình 3.4 cho thấy, khi thời gian khuấy tăng thì hiệu suất hấp phụ tăng và cân bằng hấp phụ đạt được sau 90 phút. Vì vậy, thời gian khuấy 90 phút được chọn làm thời gian tối ưu cho nghiên cứu tiếp theo. 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ bentonit-H Ảnh hưởng của nồng độ bentonit-H đến quá trình hấp phụ Mn 2+ được khảo sát trong khoảng nồng độ bentonit-H thay đổi từ 0,5 ÷ 2g/100ml dung dịch với điều kiện: nồng độ Mn 2+ 80 mg/l, nhiệt độ phòng, thời gian khuấy 90 phút. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 3.5 và hình 3.5. Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ bentonit-H đến khả năng hấp phụ Mn 2+ C-Bentonit-H 0.5 1.0 1.2 1.4 1.5 2.0 C 0 (ppm) 23.26 23.26 23.26 23.26 23.26 23.26 C e (ppm) 13.79 13.73 12.84 12.50 10.90 9.45 %A (%) 40.71 40.97 44.80 46.36 53.14 59.37 0 20 40 60 80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Nồng độ bentonit-H %A Hình 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ Bentonit-H đến khả năng hấp phụ Mn 2+ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 117 Hình 3.5 cho thấy tại nồng độ bentonit-H là 2.0g/100ml dung dịch thì khả năng hấp phụ Mn 2+ là tốt nhất. Do đó, nồng độ bentonit-H tối ưu là 2.0g/100ml dung dịch. 4. Kết luận Quá trình nghiên cứu thu được một số kết quả sau:  Khả năng biến tính bentonit Thuận Hải tự nhiên bằng axit HCl đạt tối ưu ở điều kiện: nồng độ axit HCl là 5%, nhiệt độ biến tính 60 0 C, tỉ lệ rắn : lỏng = 1: 3.  Bentonit sau khi biến tính có khả năng hấp phụ ion Mn 2+ tốt hơn bentonit tự nhiên. Nguyên nhân là do sự hoà tan một số khoáng canxit trong bentonit dẫn đến làm tăng diện tích bề mặt; cũng như tăng kích thước lỗ mao quản của bentonit.  Khả năng hấp phụ Mn 2+ của bentonit-H đạt hiệu suất tối đa là 59.37% tại các điều kiện tối ưu: thời gian hấp phụ là 90 phút, nồng độ bentonit-H là 2g/100ml dung dịch. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Tự Hải, Nghiên cứu thành phần cấu trúc và khả năng hấp phụ ion Pb 2+ trong dung dịch nước của bentonit Thuận Hải, Tuyển tập báo cáo toàn văn Hội nghị toàn quốc các đề tài nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực Hoá lý và Hoá lý thuyết - Hà Nội 12/2005, tr. 25 – 32. [2] Nguyễn Đức Châu, Lê Thanh Cẩm, Xử lý bentonit Thuận Hải làm xúc tác cho phản ứng nitro hóa, Tuyển tập các công trình nghiên cứu khoa học công nghệ - Viện Hoá học công nghiệp – Hà Nội 1995, tr. 247-252. [3] Lê Huy Bá, Độc học môi trường, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2000. [4] Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, NXB KH&KT - Hà Nội 2005. [5] Maria K. Doula, Removal of Mn 2+ ions from drinking water by using Clinoptilolite and a Clinoptilolite - Fe oxide system, Water Res. 2006 Oct; 40(17): 3167-3176. . CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 112 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH BENTONIT THUẬN HẢI VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ ION MN 2+ TRONG NƯỚC A STUDY ON THE MODIFICATION OF. Tự Hải, Nghiên cứu thành phần cấu trúc và khả năng hấp phụ ion Pb 2+ trong dung dịch nước của bentonit Thuận Hải, Tuyển tập báo cáo toàn văn Hội nghị toàn quốc các đề tài nghiên cứu cơ bản trong. CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 113 Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu quá trình tách Mn 2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ