Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cr (VI), Ni (II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe3O4 và thăm dò xử lý môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ MINH THU NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II) BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ MANG OXIT NANO 34 Fe O VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ MINH THU NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI), Ni(II) BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ MANG OXIT NANO 34 Fe O VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Trà Hƣơng Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI), Ni(II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe 3 O 4 và thăm dò xử lý môi trường” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả luận văn Lê Minh Thu Xác nhận của trưởng khoa chuyên môn Xác nhận của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan PGS.TS. Đỗ Trà Hƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Trà Hƣơng, cô giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa sau Đại học, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Em xin cảm ơn Sở Giáo dục và Đào tạo Thái Nguyên, Ban Giám hiệu, tập thể giáo viên Trường Trung học Phổ thông Yên Ninh, tỉnh Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu luận văn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả LÊ MINH THU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu viết tắt iv Danh mục các bảng v Danh mục các hình vi MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu về các ion kim loại nặng Ni(II), Cr(VI) 3 1.1.1. Giới thiệu về kim loại nặng 3 3 4 1. 1.4. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng 4 1.1.5. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước 5 1.2. Giới thiệu một số phương pháp xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng 6 1.2.1. Phương pháp trao đổi ion 6 1.2.2. Phương pháp kết tủa 6 1.2.3. Phương pháp hấp phụ 6 1.3. Cơ sở quá trình hấp phụ 6 1.3.1. Những nguyên lý chung 6 1.3.2. Kỹ thuật hấp phụ 8 10 1.3.4. Hấp phụ trong môi trường nước 14 1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng kim loại nặng 15 1.4.1. Phương pháp trắc quang 15 1.4.2. Phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang 17 1.4.3. Định lượng Ni(II), Cr(VI) bằng phương pháp trắc quang 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 1.5. Vật liệu hấp phụ oxit nano Fe 3 O 4 18 1.5.1 Lịch sử phát triển của oxít sắt từ và nano oxít sắt từ 18 1.5.2. Cấu trúc tinh thể 19 1.6. Giới thiệu về cây chè 20 1.7. Tình hình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ bã chè 23 1.7.1. Bã chè chưa biến tính 23 1.7.2. Bã chè biến tính 24 1.8. Một số phương pháp nghiên cứu sản phẩm 25 1.8.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 25 1.8.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 26 1.8.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) 27 1.8.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT - IR) 28 1.8.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 29 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM 30 30 2.1.1. Thiết bị 30 30 3 O 4 (VLHP) 30 2.3. Khảo sát tính chất bề mặt của các vật liệu chế tạo được 31 2.4. Xác định điểm đẳng điện của oxit nano Fe 3 O 4 , bã chè, bã chè phủ oxit nano Fe 3 O 4 32 2.5. Xây dựng đường chuẩn xác định Ni(II), Cr(VI) theo phương pháp trắc quang 32 2.5.1. Xây dựng đường chuẩn xác định Ni(II) 32 2.5.2. Xây dựng đường chuẩn xác định Cr(VI) 32 2.6. So sánh khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của bã chè phủ oxit nano Fe 3 O 4 , bã chè, oxit nano Fe 3 O 4 33 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ TW: Fe 3 O 4 33 2.8. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI), của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh 33 2.8.1. Ảnh hưởng của pH 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.8.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 34 2.8.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 34 2.8.4. Ảnh hưởng của nồng độ đầu 34 2.8.5. Ảnh hưởng của ion lạ 34 2.8.6. Ảnh hưởng của nồng độ hỗn hợp 35 2.9. Động học hấp phụ Ni(II), Cr(VI) của VLHP 35 2.10. Xử lý thử mẫu nước thải chứa Ni(II), Cr(VI) 35 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của các vật liệu hấp phụ 37 3.1.1. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt của các vật liệu hấp phụ 37 3.1.2. Phổ hồng ngoại (IR) của bã chè, Fe 3 O 4 , VLHP 40 3.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Ni(II) và Cr(VI) 44 3.2.1. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Ni(II) 44 3.2.2. Kết quả xây dựng đường chuẩn của Cr(VI) 45 3.3. Điểm đẳng điện của VLHP 46 3.4. So sánh khả năng hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của TW: Fe 3 O 4 , bã chè, oxit nano Fe 3 O 4 48 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng TW: Fe 3 O 4 49 3.6. Khảo sát các số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI), của VLHP theo phương pháp hấp phụ tĩnh 51 3.6.1. Ảnh hưởng của pH 51 3.6.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 53 3.6.3. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 56 3.6.4. Ảnh hưởng của ion lạ 59 3.6.5. Ảnh hưởng của nồng độ hỗn hợp ion Cr(VI) và Ni(II) 61 3.6.6 Ảnh hưởng của nồng độ đầu 65 3.6.7. Khảo sát dung lượng hấp phụ ion Ni(II), Cr(VI) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 65 3.6.8. Khảo sát quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 3.6.9. Khảo sát quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Temkin 69 3.7. Động học hấp phụ Cr(VI), Ni(II) của VLHP 71 3.8. Kết quả xử lý mẫu nước thải chứa Cr(VI), Ni(II) 76 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc 1 BET Brunauer-Emmet-Teller (Diện tích bề mặt riêng) 2 BTNMT Bộ tài nguyên môi trường 3 IR Infrared (IR) spectroscopy (Phổ hồng ngoại) 3 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 4 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 5 TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) 6 SEM Seaning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) 7 VLHP Vật liệu hấp phụ 8 XRD X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC BẢNG Trang nghiệp 4 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn Ni(II) 45 Bảng 3.2: Số liệu xây dựng đường chuẩn Cr(VI) 45 Bảng 3.3: Kết quả xác định điểm đẳng điện của VLHP 47 Bảng 3.4: Hiệu suất hấp phụ Ni(II) của TW: Fe 3 O 4 , oxit nano Fe 3 O 4 , TW 48 Bảng 3.5: Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của TW: Fe 3 O 4 , oxit nano Fe 3 O 4 , TW 48 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng TW: Fe 3 O 4 49 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ của VLHP 53 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ của VLHP đối với Cr(VI) 54 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ của VLHP đối với Ni(II) 55 Bảng 3.10: Ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến dung lượng, hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) 58 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của ion Ca(II), Mg(II), Na + , K + tới hiệu suất hấp phụ Ni(II) của VLHP 59 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của ion Cl , - 3 NO , 3 HCO tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP 60 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của hỗn hợp ion Ni(II), Cr(VI) tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI), và Ni(II) 62 Bảng 3.14: Ảnh hưởng của hỗn hợp ion Ni(II), Cr(VI) tới hiệu suất 63 Bảng 3.15: Ảnh hưởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI), Ni(II) đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP 65 Bảng 3.16: Dung lượng hấp phụ cực đại và hằng số Langmuir 67 Bảng 3.17: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của lgq vào lgC cb trong quá trình hấp phụ ion Cr(VI), Ni(II) của VLHP 68 Bảng 3.18: Các hằng số của phương trình Freundlich đối với Cr(VI), Ni(II) 69 [...]... các vùng khác Bã chè thải ra được nghiên cứu là có tiềm năng chế tạo VLHP để xử lý môi trường Xuất phát từ lý do trên trong luận văn này chúng tôi thực hiện đề tài: Nghiên cứu hấp phụ Cr( VI), Ni( II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe3O4 và thăm dò xử lý môi trường Với mục đích đó trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu những nội dung sau: - Chế tạo VLHP bã chè phủ oxit nano Fe3O4 - Khảo sát một... có công trình nghiên cứu nào được công bô Tuy nhiên trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng hấp phụ của bã chè và ứng dụng trong việc xử lý môi trường Nghiên cứu này gồm hai mảng lớn là: khả năng hấp phụ của bã chè chưa biến tính và khả năng hấp phụ của bã chè biến tính Dưới đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu sau: 1.7.1 Bã chè chƣa biến tính Battacharyya và cộng sự [18]... 3.19: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của q vào ln Ccb trong quá trình hấp phụ ion Cr( VI), Ni( II) của VLHP 70 Bảng 3.20: Các hằng số của phương trình Temkin đối với Cr( VI), Ni( II) 71 Bảng 3.21: Số liệu khảo sát động học hấp phụ của Cr( VI) 72 Bảng 3.22: Số liệu khảo sát động học hấp phụ của Ni( II) 73 Bảng 3.23: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 1 đối với Cr( VI), Ni( II) 75 Bảng... trên lượng bã thải chè lớn phát sinh từ các hộ gia đình ở Bangladesh đã nghiên cứu và tiến hành đề xuất quy trình xử lí bã thải chè thành vật liệu hấp phụ Kết quả thu được dung lượng hấp phụ cực đại đạt là 85,16 mg/g cao hơn so với khả năng hấp phụ của một số vật liệu hấp phụ được nghiên cứu gần đây Cân bằng hấp phụ đạt được trong vòng 5 giờ cho nồng độ metylen xanh là 20-50 mg/L N Nasuha và cộng sự... hấp phụ cạnh tranh và có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bị hấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơn thì hấp phụ xảy ra với cặp đó Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả. .. giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu (lực Vander Walls) và liên kết Hydro Quá trình hấp phụ vật lý luôn thuận nghịch, tức là luôn ở trạng thái cân bằng động giữa hấp phụ và nhả hấp, nhiệt hấp phụ không lớn Hấp phụ lý học có thể tạo thành nhiều lớp (đa lớp) [2, 9] - Hấp phụ hóa học: hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ liên kết với các phân tử bị hấp phụ và hình thành các hợp... thấp, thân thiện với môi trường, tách loại được đồng thời nhiều ion kim loại trong dung dịch, có khả năng tái sử dụng được vật liệu hấp phụ và thu hồi kim loại, quy tình sử lý đơn giản đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm Chính vì vậy đây là vấn đề đang và được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu [6, 10, 17-25] Trong lĩnh vực xử lý môi trường, việc sử dụng các vật liệu nano làm chất hấp phụ. .. bị hấp phụ có ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp 14 phụ của hệ do tương tác tĩnh điện Với các ion cùng hóa trị, ion nào có bán kính lớn hơn sẽ được hấp phụ tốt hơn do độ phân cực cao hơn và lớp vỏ hydrat nhỏ hơn Hấp phụ trong môi trường nước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch Sự biến đổi pH dẫn đến sự biến đổi bản chất của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ Các chất bị hấp phụ và các chất hấp phụ. .. biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lqCcb của quá trình hấp phụ ion Cr( VI) 68 Hình 3.32: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lqCcb của quá trình hấp phụ ion Ni( II) 69 Hình 3.33: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của q vào lnCcb của quá trình hấp phụ ion Cr( VI) 70 Hình 3.34: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của q vào lnCcb của quá trình hấp phụ ion Ni( II) ... Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua 27 Hình 3.1: Giản đồ XRD của oxit nano .37 Hình 3.2: Ảnh TEM của vật liệu oxit 38 Hình 3.3: Ảnh SEM của bã chè 38 Hình 3.4: Ảnh SEM của oxit nano 39 Hình 3.5: Ảnh SEM của bã chè phủ oxit nano 39 Hình 3.6: Ảnh SEM của VLHP bã chè phủ oxit nano 39 Hình 3.7: Ảnh SEM của VLHP bã chè phủ oxit nano 39 . xin cam đoan: Đề tài: Nghiên cứu hấp phụ Cr( VI), Ni( II) bằng vật liệu bã chè mang oxit nano Fe 3 O 4 và thăm dò xử lý môi trường là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề. LÊ MINH THU NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr( VI), Ni( II) BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ MANG OXIT NANO 34 Fe O VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT . ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ MINH THU NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr( VI), Ni( II) BẰNG VẬT LIỆU BÃ CHÈ MANG OXIT NANO 34 Fe O VÀ THĂM DÒ XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH Mã số: