nghiên cứu sự hấp phụ as(v) trong dung dịch nước trên vật liệu fe -bentonit và fe-ctab -bentonit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH LAI NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ As(V) TRONG DUNG DỊCH NƯỚC TRÊN VẬT LIỆU Fe -BENTONIT VÀ Fe-CTAB -BENTONIT CHUYÊN NGÀNH: HÓA VÔ CƠ MÃ SỐ: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. DƯƠNG TUẤN QUANG Huế, Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu ghi trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Lai Lời Cảm Ơn Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Dương Tuấn Quang và TS. Đinh Quang Khiếu, đã tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. Lời cảm ơn sâu sắc xin được dành cho Cô Nguyễn Lê Mỹ Linh, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm thực nghiệm. Xin được cảm ơn Quý Thầy Cô ở Phòng thí nghiệm Hoá học, Ban chủ nhiệm Khoa Hoá, Ban giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm Huế đã tạo điều kiện cho tôi trong việc sử dụng các thiết bị chuyên dụng để thực hiện luận văn này. Bạn bè và người thân chính là chỗ dựa tinh thần quý báu nhất của tôi trong những thời điểm khó khăn trên con đường đi tìm chân lý khoa học. Xin chân thành cảm ơn với tình cảm quý mến ! Học viên Nguyễn Thị Thanh Lai MỤC LỤC Huế, Năm 2014 1 LỜI CAM ĐOAN 2 Lời Cảm Ơn 3 MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU 5 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8 MỞ ĐẦU 10 Chương 1 11 TỔNG QUAN 11 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 11 1.1.1 Trên thế giới 11 1.1.2. Trong nước 13 1.2 Tổng quan về khoáng bentonit 14 1.2.1 Thành phần hóa học 14 1.2.2 Cấu trúc tinh thể của montmollorinit 14 1.2.3 Tính chất vật lý –hóa học của bentonit 16 1.2.3.1 Tính chất trương nở 16 1.2.3.2. Tính chất trao đổi ion 16 1.2.3.3. Tính chất hấp phụ 18 1.2.3.4. Tính kết dính 19 1.3 Sự ô nhiễm asen 20 1.3.1. Ảnh hưởng của asen đến sức khỏe con người 20 1.3.2 Các dạng tồn tại của asen 20 1.3.3. Các phương pháp xử lý asen trên thế giới 20 1 1.4. Hấp phụ 21 1.4.1. Quá trình hấp phụ 21 1.4.2. Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 22 1.4.3. Phương trình động học biểu kiến của quá trình hấp phụ 23 1.5. Điểm điện tích không 24 Chương 2 26 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1. Hóa chất, thiết bị 26 2.2. Phương pháp nghiên cứu 26 2.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe-bentonit và Fe-CTAB-bentonit từ bentonit Cổ Định 26 2.2.1.1. Tinh chế bentonit 26 2.2.1.2. Tổng hợp vật liệu Fe-bentonit từ bentonit Cổ Định 26 2.2.1.3. Tổng hợp vật liệu Fe-CTAB-bentonit từ bentonit Cổ Định 26 2.2.2. Các phương pháp đặc trưng vật liệu 27 2.2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction, XRD) 27 2.2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 27 2.2.2.3 . Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy- SEM) 28 2.2.2.4.Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ ở 77K (BET). 29 2.2.2.5. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 29 2.2.2.6. Phương pháp phân tích năng lượng tán xạ tia X (EDX) 30 2.2.3. Phương pháp xác định điểm điện tích không 30 2.2.4. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước trên vật liệu Fe- bentonit và Fe-CTAB-bentonit 31 2.2.4.1. Lựa chọn chất hấp phụ 31 2.2.4.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 31 2 2.2.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 31 2.2.4.4. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe- bentonit và Fe-CTAB-bentonit 31 2.2.4.5. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-bentonit và Fe-CTAB-bentonit 32 2.2.5. Giải hấp phụ As(V) và tái sử dụng vật liệu hấp phụ 32 Chương 3 33 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1. Đặc trưng vật liệu Fe-bentonit 33 3.2. Đặc trưng vật liệu Fe-CTAB-bentonit 38 3.3. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-bentonit 41 3.3.1. Lựa chọn chất hấp phụ và xác định điểm điện tích không của vật liệu đã lựa chọn 41 3.3.1.1. Lựa chọn chất hấp phụ 41 3.3.1.2. Xác định điểm điện tích không của vật liệu 0,3FeM 42 3.3.2. Ảnh hưởng của pH và cơ chế hấp phụ 43 3.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 47 3.3.4. Động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-bentonit 47 3.3.4.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 47 3.3.4.2. Mô hình động học cho quá trình hấp phụ As(V) 48 3.3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 51 3.3.5. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ và xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ 51 3.3.5.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 51 3.3.5.2. Xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ 53 3.4. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-CTAB-bentonit 54 3 3.4.1. Lựa chọn chất hấp phụ và xác định điểm điện tích không của vật liệu đã lựa chọn 54 3.4.1.1. Lựa chọn chất hấp phụ 54 3.4.1.2. Xác định điểm điện tích không của vật liệu 0,3FeCM 55 3.4.2. Ảnh hưởng của pH và cơ chế hấp phụ 55 3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ 58 3.4.4. Động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe-CTAB-bentonit 59 3.4.4.1. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 59 3.4.4.2. Mô hình động học cho quá trình hấp phụ As(V) 60 3.4.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 62 3.4.5. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ và xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ 63 3.4.5.1. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 63 3.4.5.2. Xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ 65 3.5. Giải hấp phụ As(V) và tái sử dụng vật liệu hấp phụ 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 76 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU AAS Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic absorption spectroscopy) B Bentonit Cổ Định chưa tinh chế BET Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (của Brunauer - Emmett - Teller) As Asen CM CTAB-Bentonit DLHP Dung lượng hấp phụ CTAB Cetyl trimethylammonium bromide IR Phương pháp phổ hồng ngoại K Kaolinite M Bentonit Cổ Định sau khi tinh chế MMT Montmorillonit SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction) EDX Phân tích tán xạ năng lượng tia X (Enegry Dispersive X-ray) 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các phương trình đẳng nhiệt ở dạng tuyến tính 23 Bảng 3.1. Các giá trị d001 và ∆d001 của các mẫu Fe-bentonit ở các tỉ lệ khác nhau 33 Mẫu 33 M 33 0,3FeM 33 0,4FeM 33 0,8FeM 33 1,0FeM 33 1,5FeM 33 2,0FeM 33 d001 (Å)33 14,4 33 14,8 33 14,1 33 - 33 13,8 33 15,0 33 16,3 33 ∆d001= d001-14,4 (Å) 33 - 33 0,4 33 -0,3 33 - 33 -0,6 33 0,6 33 1,9 33 Bảng 3.2. Thành phần nguyên tố của mẫu M, 0,3FeM và 1,5FeM 35 Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng cho tính chất xốp của M, 0,3FeM và 1,5FeM 36 6 Mẫu 37 SBET (m2/g) 37 Vp (cm3/g) 37 Dp (nm) 37 Bảng 3.4. Các giá trị d001 và ∆d001 của các mẫu Fe-CTAB-bentonit ở các tỉ lệ khác nhau 38 Bảng 3.5. Các thông số đặc trưng cho tính chất xốp của các mẫu M, CM, 1,5FeCM 40 Bảng 3.6. Giá trị pH của dung dịch As(V) trước và sau khi hấp phụ 44 trên vật liệu 0,3FeM 44 Bảng 3.7. Các tham số của phương trình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 và Elovich của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM ở các nhiệt độ khác nhau 49 Bảng 3.8. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir và Freundlich 52 Bảng 3.9. Các thông số nhiệt động tính toán từ hằng số đẳng nhiệt Langmuir (KL) đối với quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM 54 Bảng 3.10. Giá trị pH của dung dịch As(V) trước và sau khi hấp phụ trên 56 vật liệu 0,3FeCM 56 Bảng 3.11. Các tham số của phương trình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2 và Elovich của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM ở các nhiệt độ khác nhau 61 Bảng 3.12. Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir và Freundlich 64 Bảng 3.13. Dung lượng hấp phụ As(V) cực đại (qm) của vật liệu tổng hợp và so sánh với một số kết quả của các tác giả khác 65 Bảng 3.14. Các thông số nhiệt động tính toán từ hằng số đẳng nhiệt Langmuir (KL) đối với quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM 66 Bảng 3.15. Lựa chọn dung môi giải hấp 66 Bảng 3.16. Kết quả giải hấp As(V) và tái sử dụng vật liệu hấp phụ 67 7 [...]... biểu kiến của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe- bentonit và Fe- CTABbentonit dựa vào phương trình động học hấp phụ bậc nhất, bậc hai biểu kiến của Lagergren và Elovich 2.2.4.5 Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe- bentonit và FeCTAB-bentonit Lấy 0,05 g bentonit biến tính cho vào bình tam giác chứa 50 ml dung dịch As(V) nồng độ Co khác nhau ở pH= 3,0 Đậy kín và khuấy bằng máy khuấy... Hấp phụ vật lý là quá trình hai chiều (thuận nghịch) Chiều ngược của sự hấp phụ là sự khử hấp phụ Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, kèm theo hiệu ứng nhiệt nhỏ (từ 4 đến 25 kJ/mol) Do vậy trong quá trình hấp phụ vật lý sự biến đổi cấu trúc electron của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là không xảy ra Các chất đã bị hấp phụ sẽ dễ bị khử hấp phụ Trong hấp phụ hóa học, các phân tử của chất bị hấp phụ. .. dung dịch NaCl 0,01M 2.2.4 Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước trên vật liệu Febentonit và Fe- CTAB-bentonit 2.2.4.1 Lựa chọn chất hấp phụ Cho vào mỗi cốc 50 ml As (V) nồng độ 10 mg/l Thêm vào mỗi cốc 0,05 g xFeM hoặc xFeCM đậy kín và khuấy bằng máy khuấy từ tốc độ 600 vòng/phút ở nhiệt độ phòng 30oC trong 4 h Dung dịch thu được đem ly tâm lấy phần lỏng để xác định nồng độ còn lại của As(V). .. khả năng hấp phụ của nó Với những tính chất mới sau khi biến tính, bentonit sẽ là vật liệu tiềm năng, không gây nguy hại, đem lại hiệu quả và lợi ích kinh tế cao Xuất phát từ thực tiễn trên chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước trên vật liệu Fe- bentonit và Fe- CTAB-bentonit” 10 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.1 Trên thế giới... giải hấp lần 2 trong dung dịch mà vật liệu sau khi giải hấp có dung lượng hấp phụ cao, làm tương tự cho lần 3 Tiến hành giải hấp As(V) trên vật liệu 0,3FeCM tương tự như trên Tuy nhiên chúng tôi xác định được dung dịch KNO 3 cho kết quả giải hấp phụ tốt nhất Do đó chúng tôi tiến hành giải hấp phụ As(V) trong các dung dịch KNO 3 có nồng độ khác nhau 0,1M; 0,5M; 1,0M, vật liệu sau khi giải hấp phụ được... (b) và Elovich (c) của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM ở các nhiệt độ khác nhau 49 Hình 3.17 Sự phụ thuộc lnk2 vào 1/T của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeM 51 Hình 3.18 Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich dạng tuyến tính (b) hấp phụ As(V) trên 0,3FeM ở các nhiệt độ khác nhau 52 8 Hình 3.19 Đồ thị lnKL theo 1/T xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ As(V) trên. .. sau khi hấp phụ As(V) (b) 58 Hình 3.25 Ảnh hưởng của hàm lượng chất hấp phụ đến dung lượng hấp phụ As(V) trên mẫu 0,3FeCM (Co(As) = 12,05 ppm, pH=3,0, 303K) 59 Hình 3.26 Hấp phụ As(V) trên vật liệu 0, 3Fe0 ,4CM ở 283K, 293K, 303K và 313K (Co(As) = 11,95 ppm, pH = 3,0) 60 Hình 3.27 Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (a), bậc 2 (b) và Elovich (c) của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM ở... Đường hấp phụ và khử hấp phụ N2 của các mẫu M, CM, 0,3FeCM 40 và 1,5FeCM 40 Hình 3.8 Hiệu suất hấp phụ As(V) của mẫu M và các mẫu Fe- bentonit 41 Hình 3.9 Đồ thị xác định điểm đẳng điện của vật liệu 0,3FeM .42 Hình 3.10 Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ As(V) trên mẫu 0,3FeM (Co(As) = 12,98 ppm, 303K 43 Hình 3.11 Phổ IR của mẫu 0,3FeM trước và sau khi hấp phụ As(V). .. còn lại của As(V) bằng phương pháp AAS Tiến hành tương tự đối với vật liệu 0,3FeCM 2.2.4.4 Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Febentonit và Fe- CTAB-bentonit 0 Lấy 250ml dung dịch H3AsO4 có nồng độ CAs =10 mg/l ở pH = 3,0 cho vào bình cầu 2 cổ dung tích 500ml.Chỉnh nhiệt độ của dung dịch ổn định ở 10oC,cho 0,2 g bentonit biến tính vào bình cầu rồi đậy kín,khuấy dung dịch bằng... Hình 3.28 Sự phụ thuộc lnk2 vào 1/T của sự hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM .62 Hình 3.29 Đường đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich dạng tuyến tính hấp phụ As(V) trên 0,3FeCM ở các nhiệt độ khác nhau 63 Hình 3.30 Đồ thị lnKL theo 1/T xác định các thông số nhiệt động của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu 0,3FeCM 65 9 MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học và công . chất hấp phụ 31 2.2.4.4. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe- bentonit và Fe- CTAB-bentonit 31 2.2.4.5. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ As(V) trên vật liệu Fe- bentonit và. tài: Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước trên vật liệu Fe- bentonit và Fe- CTAB-bentonit” 10 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.1 Trên thế. 30 2.2.4. Nghiên cứu sự hấp phụ As(V) trong dung dịch nước trên vật liệu Fe- bentonit và Fe- CTAB-bentonit 31 2.2.4.1. Lựa chọn chất hấp phụ 31 2.2.4.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ 31 2 2.2.4.3.