luận văn thạc sỹ hóa học Vũ Quang Tùng

nghiên cứu khả năng tách loại và thu hồi một số kim loại nặng trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp thụ chế tạo từ vỏ lạc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM --------------------- VŨ QUANG TÙNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI VÀ THU HỒI MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên, năm 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM --------------------- VŨ QUANG TÙNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁCH LOẠI VÀ THU HỒI MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ HỮU THIỀNG Thái Nguyên, năm 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 3 Lời cảm ơn Lời đầu tiên tôi xin được gửi tới thầy giáo - PGS. TS. Lê Hữu Thiềng lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất. Thầy là người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hóa học, các anh chị và các bạn đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn đơn vị cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn. Cuối cùng tôi xin được cảm ơn những người thân yêu trong gia đình, đã luôn động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2009 Học viên Vũ Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC Mở đầu . 1 Chương 1: TỔNG QUAN . 3 1.1 Giới thiệu chung về một số ion kim loại nặng . 3 1.1.1. Các kim loại nặng 3 1.1.2. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng . 5 1.1.3 Tác dụng sinh hóa kim loại nặng đối với con người và môi trường………………………………………………………………… 5 1.2. Giới thiệu về phương pháp hấp phụ . 6 1.2.1. Các khái niệm 6 1.2.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ . 9 1.3. Giới thiệu về nguyên liệu vỏ lạc 15 1.3.1.Thành phần và tính chất của vỏ lạc . 15 1.3.2. Một số hướng nghiên cứu vỏ lạc làm VLHP . 17 1.4.Giới thiệu sơ lược về phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) . 17 1.4.1.Nguyên tắc . 17 1.4.2. Điều kiện nguyên tử hóa mẫu………………………… 19 1.4.3. Cường độ vạch phổ hấp thụ nguyên tử…………………19 1.4.4. Phương pháp đường chuẩn…………………………… 20 1.4.5. Ưu điểm của phép đo………………………………… 21 Chương 2: THỰC NGHIỆM 22 2.1. Thiết bị và hóa chất . 22 2.1.1. Thiết bị 22 2.1.2. Hóa chất 22 2.2. Chế tạo VLHP từ nguyên liệu vỏ lạc 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 5 2.3. Các điều kiện tối ưu để xác định hàm lượng một số ion kim loại nặng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử . 24 2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng của VLHP chế tạo từ vỏ lạc bằng phương pháp hấp phụ động trên cột 28 2.4.1. Chuẩn bị cột hấp phụ………………………………… 28 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng………………… .29 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu chất bị hấp phụ 36 2.5. Khảo sát khả năng thu hồi một số ion kim loại nặng 44 2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng đến khả năng giải hấp các ion Cu 2+ , Pb 2+ và Ni . 44 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit HNO 3 đến sự thu hồi các ion kim loại Cu 2+ và Pb 2+ .48 2.6 Khảo sát khả năng hấp phụ của nguyên liệu vỏ lạc 52 2.6.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu 52 2.7 Khảo sát khả năng tái sử dụng VLHP 61 2.8 Khảo sát khả năng tách loại và thu hồi ion Ni 2+ trong nước thải nhà máy Z159 bằng phương pháp hấp phụ trên VLHP chế tạo từ vỏ lạc 64 2.8.1 Khảo sát khả năng tách loại của ion Ni 2+ . 64 2.8.2 Khảo sát khả năng giải hấp của ion Ni 2+ . 65 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự nóng bỏng được cả thế giới quan tâm. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và cần thiết cho sự sống nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó việc xử lý ô nhiễm môi trường nước đang trở thành vấn đề được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Đã có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm tách các ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hóa lý (phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, …), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học…Trong đó phương pháp hấp phụ - sử dụng vật liệu hấp phụ (VLHP) chế tạo từ các nguồn tự nhiên như vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ đậu, rau câu, để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nước đã được một số tác giả trên thế giới và trong nước nghiên cứu [ . Loại VLHP này có khả năng ứng dụng rất lớn trong kỹ thuật xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng trong tương lai. Phương pháp xử lý sử dụng VLHP sinh học có nhiều ưu việt so với các phương pháp xử lý khác như giá thành xử lý không cao, tách loại được đồng thời nhiều kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng VLHP và thu hồi kim loại. Vỏ lạc là một nguồn nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam có sản lượng hàng năm rất lớn [7]. Nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này, chúng tôi tập trung nghiên cứu đề tài : "Nghiên cứu khả năng tách loại và thu hồi một số kim loại nặng trong dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc". Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện các nội dung sau:  Chế tạo vật liệu hấp phụ (VLHP). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 2  Khảo sát khả năng hấp phụ Cu 2+ , Pb 2+ , Cd 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ của VLHP bằng phương pháp hấp phụ động.  Giải hấp thu hồi các kim loại nặng Cu 2+ , Pb 2+ , Cd 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ .  Tái sử dụng VLHP.  Xử lý thăm dò khả năng hấp phụ của Ni 2+ trong nước thải bằng VLHP. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 3 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về một số ion kim loại nặng 1.1.1 Các kim loại nặng  Đồng Đồng là một nguyên tố vi lượng cần thiết đối với động vật và thực vật. Với thực vật, nếu thiếu đồng, hàm lượng diệp lục tố ít đi, lá bị vàng úa, cây ngừng ra quả và có thể bị chết. Ở cơ thể người và động vật khi thiếu đồng, hoạt tính của hệ men giảm đi, quá trình trao đổi protein bị chậm lại, do đó làm các mô xương chậm phát triển, thiếu máu, suy nhược…Tuy nhiên, ở cơ thể người, thừa đồng cũng rất nguy hiểm vì nó là một trong những nguyên nhân gây các bệnh về gan, thận, nội tiết…[4, 7, 15]. Năm 1982, JECFA (Ủy ban chuyên viên FAO/WHO về phụ gia thực phẩm) đã đề nghị giá trị tạm thời cho lượng đồng đưa vào cơ thể người có thể chịu đựng được là 0,5 mg/kg thể trọng/ngày [16].  Chì Các hợp chất của chì được sử dụng nhiều trong công nghiệp nhiên liệu (như tetra metyl và tetra etyl chì), sản xuất thủy tinh, đồ gốm, hội họa, y học… Tuy nhiên, chì là một nguyên tố điển hình cho tính độc. Tất cả các hợp chất có hòa tan nguyên tố này đều độc. Chì xâm nhập vào cơ thể động vật chủ yếu qua đường tiêu hóa, hô hấp và cả do sự hấp thụ của da. Nếu đi vào cơ thể, dù là với lượng rất nhỏ nhưng chì cũng bị giữ lại và tập trung ở xương, dần dần thay thế canxi dẫn tới sự thoái hóa xương. Khi bị nhiễm độc chì, tùy thuộc vào mức độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 4 nhiễm độc, cơ thể người có thể mắc các bệnh như: đau khớp, viêm thận, cao huyết áp vĩnh viễn, tai biến não, rối loạn bộ phận tạo huyết… JECFA đã thiết lập giá trị tạm thời cho lượng chì đưa vào cơ thể trẻ sơ sinh và thiếu nhi có thể chịu đựng được là 0,005 mg/kg thể trọng/ngày[3, 7, 16].  Mangan Mangan là nguyên tố vi lượng trong cơ thể sống. Ion mangan là chất hoạt hoá một số enzim xúc tiến một số quá trình tạo chất diệp lục, tạo máu và sản xuất kháng thể nâng cao sức đề kháng của cơ thể. Sự tiếp xúc nhiều với bụi mangan làm suy nhược hệ thần kinh và tuyến giáp trạng [7].  Niken Niken thường có mặt trong các chất sa lắng, trầm tích, trong thủy hải sản và trong một số thực vật. Niken là kim loại có tính linh động cao trong môi trường nước, có khả năng tạo phức bền với các chất hữu cơ. Niken có thể gây các bệnh về da, tăng khả năng mắc bệnh ưng thư đường hô hấp,… Khi bị nhiễm độc niken, các enzim mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể. Cơ thể bị nhiễm niken chủ yếu qua đường hô hấp, gây các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu, nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnh hưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận và có thể sẽ gây ra các chứng bệnh kinh niên. Nếu da tiếp xúc lâu dài với niken sẽ gây ra hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng ở một số người [3, 10].  Cadmi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn 5 Cadmi xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu do thức ăn, các nguồn từ thực vật được trồng trên đất giàu cadmi hoặc nước bị nhiễm cadmi. Khi xâm nhập vào cơ thể chúng được tích tụ trong xương và thận. Trong cơ thể người, cadmi gây nhiễu loạn sự hoạt động của một số enzim nhất định, gây nên hội chứng tăng huyết áp và ung thư phổi, làm rối loạn chức năng thận, gây thiếu máu, phá hủy tủy xương [3, 7, 11] 1.1.2 Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các khu công nghiệp, khu chế xuất đã dẫn tới sự tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng trong các nguồn nước thải. Tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, hàng trăm các cơ sở sản xuất công nghiệp đã và đang gây ô nhiễm các nguồn nước do không có công trình hay thiết bị xử lý các kim loại nặng. Hơn thế nữa, mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn. Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, kim loại màu chưa được xử lý thải trực tiếp ra sông Cầu. Hàng trăm làng nghề đúc đồng , nhôm, chì thuộc các tỉnh lưu lượng hàng ngàn m 3 /ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và môi trường khu vực. Theo các số liệu phân tích cho thấy, hàm lượng các kim loại nặng trong nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều xấp xỉ hoặc vượt quá tiêu chuẩn cho phép [1, 3, 4, 22]. 1.1.3. Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường Các kim loại nặng ở nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy nhiên, nếu như vượt quá hàm lượng cho phép, chúng lại gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con người. Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể thông qua các chu trình thức ăn. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp [...]... phá vỡ Vì vậy hấp phụ hóa học thường không thuận nghịch và không thể vượt quá một đơn lớp phân tử Trong hấp phụ hóa học, cấu trúc điện tử của các phần tử của các chất tham gia quá trình hấp phụ có sự biến đổi sâu sắc dẫn đến sự hình thành liên kết hóa học Sự hấp phụ hóa học còn đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra chậm Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối... hấp phụ vật lý ít bị thay đổi Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 http://www.Lrc-tnu.edu.vn  Hấp phụ hóa học gây ra bởi lực liên kết hóa học, trong đó có những lực liên kết mạnh như lực liên kết ion, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết phối trí…gắn kết những phần tử chất bị hấp phụ với những phần tử của chất hấp... Tiến hành đo mật độ quang (A) của từng dung dịch Dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ ion kim loại Kết quả thu được thể hiện ở các bảng 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, từ các số liệu này ta xây dựng các đường chuẩn thể hiện trên các hình từ 2.1 đến 2.5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 http://www.Lrc-tnu.edu.vn Bảng 2.2: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ... 0.0440 0.7 2.00 Mẫu 4 0.0540 0.2 2.50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 http://www.Lrc-tnu.edu.vn y = 0.0209x + 0.0018 R2 = 0.9997 0.06 Mật độ quang 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 Nồng độ (mg/l) Hình 2.2: Đường chuẩn xác định nồng độ Cu2+ Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Mn2+ Tên mẫu Mật độ quang % sai số Nồng độ (mg/l) Mẫu trắng... 4.00 y = 0.0825x - 0.0025 R2 = 0.9998 0.35 Mật độ quang 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 Nồng độ (mg/l) Hình 2.3: Đường chuẩn xác định nồng độ Mn2+ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 http://www.Lrc-tnu.edu.vn Bảng 2.5: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Ni2+ Tên mẫu Mật độ quang % sai số Nồng độ (mg/l) Mẫu trắng -0.001 1.1... Mật độ quang 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 Nồng độ (mg/l) Hình 2.4: Đường chuẩn xác định nồng độ Ni2+ Bảng 2.6: Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Pb2+ Tên mẫu Mật độ quang % sai số Nồng độ (mg/l) Mẫu trắng -0.0020 15.2 0.00 Mẫu 1 0.0060 2.5 0.50 Mẫu 2 0.0130 1.0 1.00 Mẫu 3 0.0720 0.5 5.00 Mẫu 4 0.1450 0.1 10.00 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... (mg/l) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 http://www.Lrc-tnu.edu.vn Ccb: Nồng độ của chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/l) - Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu H C0  Ccb 100 C0 (1.3) 1.2.2 Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ - Mô hình động học hấp phụ Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp... chiều dài môi trường hấp thụ, C : Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ 5 Thu và ghi kết quả đo cường độ vạch phổ hấp thụ [6, 9] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 http://www.Lrc-tnu.edu.vn 1.4.2 Điều kiện nguyên tử hóa mẫu Nguyên tử hóa mẫu là công việc quan trọng nhất của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, Mục đích của quá trình này là tạo ra đám hơi nguyên tử tự do từ mẫu... chuyển, không làm vỡ vụn chất hấp phụ và có thể thu hồi chất hấp phụ ở trạng thái nguyên vẹn Phương pháp hóa lý có thể thực hiện theo cách: chiết với dung môi, sử dụng phản ứng oxi hóa - khử, áp đặt các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng không có lợi cho quá trình hấp phụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 http://www.Lrc-tnu.edu.vn Phương pháp nhiệt: Sử dụng cho các trường hợp chất bị hấp... lưu lại được sử dụng cho các lần đo sau - Dễ dàng kết nối với máy tính và các phần mềm thích hợp để đo và xử lý kết quả nhanh, dễ dàng [6,9] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 http://www.Lrc-tnu.edu.vn Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị và hóa chất 2.1.1 Thiết bị - Máy đo pH Presica 900 (Thụy Sĩ) - Tủ sấy Jeiotech (Hàn Quốc) - Máy đo phổ hấp thụ nguyên tử Thermo (Anh) - Máy nghiền . hoàn thành tốt luận văn của mình. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2009 Học viên Vũ Quang Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên. CHẾ TẠO TỪ VỎ LẠC Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ HỮU THIỀNG