Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU TÁCH ION Cu2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BENTONIT THUẬN HẢI" potx

NGHIÊN CỨU TÁCH ION Cu 2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BENTONIT THUẬN HẢI A STUDY ON THE REMOVAL OF Cu 2+ IONS IN AQUEOUS SOLUTIONS USING THUANHAI BENTONITE LÊ TỰ HẢI Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian khuấy, pH dung dịch, nồng độ bentonit, nồng độ Cu 2+ , nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Cu 2+ trên bentonit Thuận Hải đã được khảo sát. Hiệu suất hấp phụ tối ưu đạt 99,86% ở điều kiện: thời gian khuấy 80 phút, nồng độ bentonit 0,5 g/ 100 ml dung dịch, nồng độ Cu 2+ 150 mg/l, pH = 5,0. Các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ được xác định ở nhiệt độ 30, 40, 50, 60 o C. Kết quả cho thấy quá trình hấp phụ Cu 2+ trên bentonit là thu nhiệt và tự xảy ra (H o = 27,60Kj/mol, G o < 0). Quá trình hấp phụ Cu 2+ tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich. ABSTRACT The influence of different factors such as shaking time, pH of aqueous solution, amount of adsorbent, Cu 2+ concentration and temperature on the absorption ability of Cu 2+ on the Thuanhai bentonite have been also investigated. Maximum absorption of 99,86% was achieved under optimized conditions of 80 min of shaking time, pH 5.0, amount of bentonite 0.5g and Cu 2+ concentration of 150 mg in 100 cm 3 solution. Thermodynamic parameters for the sorption system have been determined at 30 o C, 40 o C, 50 o C and 60 o C. The results show that the sorption of Cu 2+ on bentonite is an endothermic and spontaneous process (H o 27.16Kj/mol, G o < 0). The absorption of Cu 2+ on bentonite followed the Freundlich isotherm. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đồng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và động vật. Tuy nhiên, khi hàm lượng đồng trong cơ thể người đạt từ 60 – 100 mg/1kg thể trọng thì gây ngộ độc buồn nôn. Với loài vi khuẩn lam, khi nồng độ đồng trong nước 0,01 mg/l sẽ làm chúng chết. Ngoài ra, ion Cu 2+ còn liên kết với màng tế bào, ngăn cản quá trình vận chuyển vật chất qua màng gây ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất [1]. Sự ô nhiễm Cu 2+ trong môi trường nước được gây ra bởi các nhà máy luyện kim, công nghệ mạ, các mỏ khoáng sản Một số phương pháp đã được sử dụng để tách Cu 2+ như điện phân, thẩm thấu ngược, xử lý hoá học hay hấp phụ [2,3,4]. Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu quá trình tách Cu 2+ trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ bentonit Thuận Hải. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu hấp phụ bentonit được tinh chế từ nguồn bentonit Thuận Hải thô như [5] với thành phần hoá học (% khối lượng): SiO 2 = 59,80, Fe 2 O 3 = 1,28, CaO = 13,90, MgO = 0,30, MKN (mất khi nung) = 11,80; diện tích bề mặt là 22,14 m 2 /g và đường kính mao quản trung bình là 51,16A o . Quá trình hấp phụ được tiến hành bằng kỹ thuật bể ở tốc độ khuấy 300 vòng/phút với 100 ml dung dịch Cu 2+ có nồng độ xác định được pha từ dung dịch gốc Cu(NO 3 ) 2 1000 mg/l. pH dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH, HNO 3 . Các hoá chất đều có mức độ tinh khiết phân tích và được pha chế trong nước cất hai lần. Ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian khuấy, pH dung dịch, nồng độ bentonit, nồng độ Cu 2+ , nhiệt độ đến quá trình hấp phụ đã được khảo sát. Sau khi hấp phụ tại các khoảng thời gian xác định, huyền phù được ly tâm trong 30 phút (tốc độ 4000 vòng/phút) và phân tích nồng độ Cu 2+ trong dung dịch thu được bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử trên máy AAS – 100 PE. HiÖu suÊt qu¸ tr×nh hÊp phô (%A) vµ h»ng sè ph©n bè K d ®îc tÝnh nh sau [4]: 100.% o eo C CC A   (1) )/( 3 gcm m V C CC K e eo d   (2) Trong ®ã C o : nång ®é Pb 2+ tríc xö lý, C e : nång ®é Pb 2+ c©n b»ng sau xö lý, V: thÓ tÝch dung dÞch, m: khèi lîng bentonit. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của thời gian khuấy Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ Cu 2+ trên bentonit được nghiên cứu trong điều kiện: nồng độ Cu 2+ 150 mg/l, nồng độ bentonit 0,3 g/ 100 ml, pH = 5,0, nhiệt độ 30 o C. Thời gian khuấy thay đổi từ 10 ÷ 120 phút. Kết quả thu được thể hiện ở hình 1. 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 thời gian (phút) %A Hình 1. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ Cu 2+ Hình 1 cho thấy, khi thời gian khuấy tăng thì hiệu suất hấp phụ tăng và cân bằng hấp phụ đạt được sau 80 phút. Vì vậy, thời gian khuấy 80 phút được chọn làm thời gian tối ưu cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch Ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình hấp phụ Cu 2+ được khảo sát trong vùng pH = 1,5 ÷ 7,0 với điều kiện: nồng độ Cu 2+ 150 mg/l, nồng độ bentonit 0,3 g/l, nhiệt độ 30 o C, thời gian khuấy 80 phút. Kết quả thu được thể hiện ở hình 2. Trong vùng pH = 1,5 ÷ 5,0 hiệu suất quá trình hấp phụ tăng khi pH tăng và giảm nhẹ ở pH = 6,0 ÷ 7,0. Nguyên nhân ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ Cu 2+ trên bentonit được giải thích như [5]. Đó là do sự hấp phụ cạnh tranh của H + và sự tích điện dương trên bề mặt bentonit ở vùng pH thấp; còn ở vùng pH = 6,0 ÷ 7,0 đã có xuất hiện kết tủa Cu(OH) 2 nên hiệu suất hấp phụ giảm. Vì vậy, dung dịch có pH = 5,0 được chọn cho quá trình tách Cu 2+ . -20 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 pH %A Hình 2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ Cu 2+ 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ bentonit Ảnh hưởng của nồng độ bentonit được khảo sát trong điều kiện: nồng độ Cu 2+ 150 mg/l, pH = 5,0, thời gian khuấy 80 phút, nhiệt độ 30 o C. Nồng độ bentonit thay đổi từ 0,1 ÷ 1,5 g/100 ml. Kết quả sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Cu 2+ và hằng số phân bố K d vào nồng độ bentonit được thể hiện ở hình 3. Hình 3. Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ bentonit đến hiệu suất hấp phụ và hằng số phân bố K d Kết quả cho thấy, hiệu suất hấp phụ và hằng số phân bố tăng khi nồng độ bentonit tăng từ 0,1 đến 0,5 g/ 100 ml. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ bentonit thì hiệu suất hấp phụ tăng không đáng kể, trong khi đó K d lại giảm. Vì vậy, nồng độ bentonit 0,5 g/ 100 ml là nồng độ tối ưu cho quá trình tách Cu 2+ . 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cu 2+ Hình 4 thể hiện ảnh hưởng của nồng độ Cu 2+ đến quá trình hấp phụ ở điều kiện: thời gian khuấy 80 phút, nồng độ bentonit 0,5 g/ 100 ml, nhiệt độ 30 o C. Nồng độ Cu 2+ thay đổi từ 75 ÷ 240 mg/l. 80 85 90 95 100 0 0.5 1 1.5 2 C - bent (g/100ml) % A 0 5000 10000 15000 20000 0 0,5 1 1,5 2 C - bent (g/100ml) Kd -100000 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 75 125 175 225 275 C (Cu2+) mg/l Kd Hỡnh 4. th nh hng ca nng Cu 2+ n hiu sut hp ph v hng s phõn b K d . Nh vy, hiu sut hp ph v hng s phõn b K d gim mnh khi nng Cu 2+ tng. 3.5. ng ng nhit hp ph Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich đợc áp dụng cho quá trình hấp phụ Cu 2+ trên bentonit [4]: e C n K m x lg 1 lglg (3) Trong đó C e là nồng độ Cu 2+ cân bằng (g/ml), x/m là lợng Cu 2+ bị hấp phụ (g/mg), K và n là hằng số liên quan đến nhiệt độ và đặc trng cho hệ hấp phụ. th lgx/m lgC e c xõy dng v th hin hỡnh 5. 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 Lg Ce Lg (x/m) Hỡnh 5. th Freundlich cho quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ trờn bentonit Kt qu cho thy, s hp ph Cu 2+ trờn bentonit tuõn theo ng nhit hp ph Freundlich. T th tớnh c giỏ tr K = 10 2,20 v n = 5,73. Giỏ tr ca n = 5,73 chng t quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ trờn bentonit xy ra tt. 3.6. nh hng ca nhit Kho sỏt nh hng ca nhit n quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ trong iu kin: nng bentonit 0,5 g/ 100 ml, nng Cu 2+ 150 mg/l, pH = 5,0, thi gian khuy 80 phỳt ti cỏc nhit 30, 40, 50, 60 o C. Cỏc giỏ tr nhit ng H o , S o , G o c xỏc nh thụng qua phng trỡnh sau [4]: 95 96 97 98 99 100 101 75 125 175 225 275 C(Cu2+) mg/l %A (a) (b) R S RT H K oo d ln (4) th lnK d 1/T c th hin hỡnh 6. 10.80 11.00 11.20 11.40 11.60 11.80 12.00 2.90 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40 lnKd Hỡnh 6. th lnK d 1/T cho quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ T th, cỏc giỏ tr nhit ng c tớnh toỏn v thu c kt qu sau: H o = 27,60Kj/mol, S o = 0,182 Kj/K.mol v G o = -27,546 Kj/mol, -29,366 Kj/mol, -31,186 Kj/mol, -33,006 Kj/mol cỏc nhit 303K, 313K, 323K, 333K tng ng. Giá trị H o > 0, S o > 0 và sự giảm G o khi tăng nhiệt độ cho thấy quá trình hấp phụ Cu 2+ trên bentonit là thu nhiệt và tự xảy ra. S tng entropi trong quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ trờn bentonit c gii thớch tng t nh [5]. 4. KT LUN Kt qu nghiờn cu thu c mt s kt lun sau: - Bentonit Thõn Hi tinh ch cú th c s dng lm vt liu hp ph tỏch ion Cu 2+ trong nc. - Hiu sut hp ph Cu 2+ trờn bentonit chu nh hng ca nhiu yu t v t 99,86% iu kin ti u: thi gian khuy 80 phỳt, nng bentonit 0,5 g/100 ml dung dch, nng Cu 2+ 150 mg/l, pH = 5,0, nhit 30 o C. - Quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ trờn bentonit l t xy ra v thu nhit. - Quỏ trỡnh hp ph Cu 2+ tuõn theo ng nhit hp ph Freundlich. Giỏ tr n = 5,73 cho thy quỏ trỡnh hp ph l thun li. TI LIU THAM KHO [1] Lờ Huy Bỏ, c hc mụi trng, NXB i hc Quc gia H Ni, 2000. [2] Lờ Vn Cỏt, C s hoỏ hc v x lý nc, NXB KH & KT, H Ni, 1999. [3] Trn Vn Nhõn, Ngụ Th Nga, Giỏo trỡnh cụng ngh x lý nc thi, NXB KH & KT, H Ni, 2005. [4] M. I. Panayotova, Kinetics and thermodynamics of copper ions removal from waste water by use of zeolite, Waste Management 21 (2001) 671-676. [5] Lờ T Hi, Nghiờn cu thnh phn, cu trỳc v kh nng hp ph ion Pb 2+ trong dung dch nc ca bentonit Thun Hi, Hi ngh ton quc cỏc ti nghiờn cu c bn trong lnh vc Hoỏ lý v Hoỏ lý thuyt, H Ni 12/2005, 25 32. 1/T .10 - 3 . NGHIÊN CỨU TÁCH ION Cu 2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ BENTONIT THUẬN HẢI A STUDY ON THE REMOVAL OF Cu 2+ IONS IN AQUEOUS SOLUTIONS USING THUANHAI BENTONITE . trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ bentonit Thuận Hải. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu hấp phụ bentonit được tinh chế từ nguồn bentonit Thuận Hải thô như [5] với thành. để tách Cu 2+ như điện phân, thẩm thấu ngược, xử lý hoá học hay hấp phụ [2,3,4]. Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu quá trình tách Cu 2+ trong dung dịch nước bằng