nghiên cứu khả năng hấp phụ ion florua trên khoáng sét yên bái và ứng dụng xử lý tách florua khỏi nguồn nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN o0o BÙI THỊ PHƢƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION FLORUA TRÊN KHOÁNG SÉT YÊN BÁI VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÁCH FLORUA KHỎI NGUỒN NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN o0o BÙI THỊ PHƢƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION FLORUA TRÊN KHOÁNG SÉT YÊN BÁI VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÁCH FLORUA KHỎI NGUỒN NƢỚC Chuyên ngành: Hoá Phân Tích Mã số: 60 44 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Xuân Trung HÀ NỘI – 2011 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………… 1 CHƢƠNG1 : TỔNG QUAN………………………………………………… 2 1.1. Giới thiệu chung về flo……………… ……………………………… 2 1.1.1. Trạng thái tự nhiên ………………………… 2 1.1.2. Ứng dụng của flo………………………………………………………. 3 1.2 Tính chất độc hại của florua……………………………………………… 4 1.3 Các phƣơng pháp loại bỏ Florua khỏi nguồn nƣớc………………………5 1.3.1. Kết tủa với tricanxi photphat…………………………………………… 5 1.3.2 Hấp phụ flo lên Mg(OH) 2 …………………………………………………5 1.3.3 Hấp phụ flo lên oxit nhôm…………………………………………………6 1.4 Các phƣơng pháp xác định florua……………………………………… 8 1.4.1. Phương pháp phân tích khối lượng………………………………………8 1.4.2. Phương pháp phân tích điện hoá……………………………………… 8 1.4.2.1. Phương pháp chuẩn độ điện hoá……………………………………… 8 1.4.2.2. phương pháp điện thế dùng cực chọn lọc với ion Florua 8 1.4.3 . Các phương pháp quang phổ………………………………………… 10 1.4.3.1. Phương pháp Alizarin xanh………………………………………… 10 1.4.3.2. Phương pháp Zirconium- Eriochrom zanine R……………………… 11 1.4.4. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)……………… 11 1.4.5 Phương pháp phân tích sắc ký………………………………………… 12 1.5 Giới thệu về thuốc thử xylenol da cam(XO)…………………………… 13 1.6 Giới thiệu về bentonit…………………………………………………… 14 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM………………………………………………17 2.1. Nội dung nghiên cứu 17 2.2. Dụng cụ và máy móc………………………………………… 17 2.3. Hoá chất sử dụng……………………………………………………… 18 2.4. Tổng hợp vật liệu hấp phụ Flo………………………………………….18 2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ florua của vật liệu 19 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ 19 2.5.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ 19 2.5.3. Xác định dung lượng hấp phụ theo phương trình Langmuir 20 2.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của các ion lạ và các ion 21 2.6. Nghiên cứu khả năng hấp phụ theo phƣơng pháp động……………… 22 2.6.1. Cách tiến hành………………………………………………………… 22 2.6.2. Tính toán…………………………………………………………………22 2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH……………………………………………23 2.7. Phƣơng pháp xác định Florua………………………………………… 23 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………… 25 3.1. Tối ƣu hoá điều kiện xác định Florua bằng phƣơng pháp đo quang…25 3.1.1. Tối ưu hoá điều kiện hình thành phức Al 3+ với xylenol da cam……… 25 3.1.1.1. Khảo sát phổ hấp thụ quang phức mầu Al 3+ với xylenol da cam…… 25 3.1.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH tới sự hình thành phức màu của Al 3+ với xylenol da cam.……………………………………………………… 26 3.1.1.3. Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của phức màu. ………………… 27 3.1.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử. ………………………………… 29 3.1.2. Ứng dụng xác định florua……………………………………………… 31 3.1.2.1. Khoảng tuyến tính của phép đo……………………………………… 31 3.1.2.2 . Lập phương trình đường chuẩn của florua………………………… 33 3.1.2.3. Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng cuả phương pháp………… 34 3.1.2.4. Sai số và độ lặp lại của phép đo quang……………………………… 36 3.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ florua………………………………… 38 3.2.1. Xác định một số tính chất vật lý của vật liệu hấp phụ florua ………… .38 3.2.1.1. Xác định phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu…………………………… 38 3.2.1.2. Xác định hình dạng vật liệu ………………………………………… 43 3.2.1.3. Xác định diện tích bề mặt riêng và đường kính lỗ xốp……………… 45 3.2.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ florua của vật liệu theo phương pháp tĩnh……………………………………………………………………… 45 3.2.2.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu………………45 3.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đạt cân bằng……………………………… 47 3.2.2.3. Khảo sát nồng độ ban đầu florua đến khả năng hấp phụ ………… 49 3.2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng cạnh tranh của các ion………………………… 51 3.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu ở điều kiện động………………55 3.2.3.1. Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu………………… 55 3.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của bản chất, nồng độ dung dịch rửa giải………55 3.2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nạp mẫu đến khả năng hấp thu của florua lên VL2………………………………………………………………… 56 3.2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thể tích rửa giải. ……………………………57 3.2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ rửa giải đến hiệu suất rửa giải …… 58 3.2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của một số ion cản trở đến khả năng hấp thu florua trên VL2……………………………………………………………………… 60 3.3. Thử nghiệm xử lý mẫu giả và khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu 62 3.4. Thử nghiệm xử lý mẫu nƣớc chứa florua……………………………… 64 KẾT LUẬN……………………………………………………………………66 Tài liệu tham khảo………………………………………………………… . . 68 CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT LOD(Limit of detection): Giới hạn phát hiện LOQ(Limit of quantity): Giới hạn định lượng VL1: Khoáng sét Bentonit VL2: Bentonit biến tính MMT: Montmorillonit XO: Xylenol da cam TISAB: Total Ionic Strength Adjustment Buffer CDTA: 1,2 cyclohexylen dinitrinotetraaxetic axit DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Một số đặc điểm của nguyên tử flo………………………………… 2 Bảng 1.2: Thành phần cấu tạo bentonit……………………………………… 14 Bảng 3.1 : Khảo sát phổ hấp thụ quang phức mầu Al 3+ với xylenol da cam… 25 Bảng 3.2: Ảnh hưởng cuả pH đến độ hấp thụ quang A……………………… 27 Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của phức màu……………… 28 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ thuốc thử…………… 30 Bảng 3.5: Khoảng tuyến tính của florua ……………………………………… 32 Bảng 3.6: Số liệu thống kê lập đường chuẩn của nguyên tố khảo sát………… 33 Bảng 3.7: Phân tích mẫu trắng…………………………………………………35 Bảng 3.8: Một số giá trị liên quan…………………………………………… 36 Bảng 3.9: Sai số cuả phép đo quang xác định florua………………………… 37 Bảng 3.10: Độ lặp lại của phép đo quang………………………………………38 Bảng 3.11: Dung lượng hấp phụ của vật liệu phụ thuộc vào pH của dung dịch florua………………………………………………………………………… 46 Bảng 3.12: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hấp phụ của vật liệu ………………………………………………………………………………… 48 Bảng 3.13:Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ vào nồng độ florua ban đầu……49 Bảng 3.14 : Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ion SiO 3 2- đến dung lượng hấp phụ 52 Bảng 3.15: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ion PO 4 3- đến dung lượng hấp phụ 52 Bảng 3.16: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ion Fe 3+ đến dung lượng hấp phụ…………………………………………………………………………… 53 Bảng 3.17: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ion AsO 4 2- đến dung lượng hấp phụ…………………………………………………………………………… 53 Bảng 3.18: Kết quả khảo sát ảnh hưởng ion AsO 4 2- , SiO 3 2- , PO 4 3- ,Fe 3+ đến dung lượng hấp phụ của VL2……………………………………………………… 54 Bảng 3.19: Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ rửa giải NaOH đến khả năng rửa giải…………………………………………………………………………55 Bảng 3.20 : Kết quả khảo sát ảnh hưởng tốc độ nạp mẫu đến khả năng hấp thu………………………………………………………………………………57 Bảng 3.21: Kết quả khảo sát thể tích rửa giải………………………………… 58 Bảng 3.22 : Kết quả khảo sát tốc độ rửa giải………………………………… 59 Bảng 3.23: Ảnh hưởng của các ion kim loại nặng đến hiệu suất thu hồi …… 60 Bảng 3.24: Ảnh hưởng của các anion đến hiệu suất thu hồi………………… 61 Bảng 3.25: Thành phần mẫu giả……………………………………………… 62 Bảng 3.26: Kết quả hấp phụ tách loại florua của dung dịch mẫu giả………… 63 Bảng 3.27: Kết quả nghiên cứu khả năng tái sử dụng của vật liệu………… 63 Bảng 3.28: Kết quả phân tích mẫu thật……………………………………… 64 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Các mẫu khoáng vật florit…………………………………………… 3 Hình 1.2: Cấu trúc của xylenol da cam……………………………………… 13 Hình1.3: Cấu trúc của Montmorilonit…………………………………………15 Hình 2.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir……………………………… 21 Hình 3.1: Phổ hấp thụ quang của phức Al 3+ với xylenol da cam………………26 Hình 3.2 : Ảnh hưởng cuả pH đến độ hấp thụ quang A………………………27 Hình 3.3 : Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của phức màu…………………29 Hình 3.4: Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ thuốc thử…………… 30 Hình 3.5: Khoảng tuyến tính của florua……………………………………… 32 Hình 3.6: Đồ thị sự phụ thuộc nồng độ Florua vào độ hấp thụ quang phức mầu Al 3+ với xylenol da cam……………………………………………………… 34 Hình 3.7a: Phổ nhiễu xạ tia X của VL1trước khi hấp phụ florua…………… 39 Hình 3.7b: Phổ nhiễu xạ tia X của VL1 sau khi hấp phụ florua………………. 40 Hình 3.7c: Phổ nhiễu xạ tia X của VL2 trước khi hấp phụ florua…………… 41 Hình 3.7d: Phổ nhiễu xạ tia X của VL2 sau khi hấp phụ florua……………… 42 Hình 3.8a : Bề mặt của VL1……………………………………………………43 Hình 3.8b: Bề mặt của VL2 trước khi hấp phụ florua ……………………… 44 Hình 3.8c: Bề mặt của VL2 sau khi hấp phụ florua ………………………… 44 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ của vật liệu vào pH dung dịch……………………………………………………………………… 47 Hình 3.10 : Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hấp phụ của vật liệu…… 48 Hình 3.11: Sự phụ thuộc khả năng hấp phụ của mẫu vào nồng độ florua 50 Hình 3.12: Đồ thị phụ thuộc C E /Q vào C E 51 Hình 3.13: Dung lượng hấp phụ của florua khi có mặt của SiO 3 2- …………… 52 Hình 3.14: Dung lượng hấp phụ của florua khi có mặt của PO 4 3- …………… 52 Hình 3.15: Dung lượng hấp phụ của florua khi có mặt của Fe 3+ …………… 53 Hình 3.16: Dung lượng hấp phụ của florua khi có mặt của AsO 4 2- ………… 53 Hình 3.17: Dung lượng hấp phụ florua của VL2 khi có mặt AsO 4 2- , SiO 3 2- , PO 4 3- , Fe 3+ ………………………………………………………………………… 54 Hình 3.18: Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất rửa giải vào nồng độ NaOH……… 56 Hình 3.19: Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất thu hồi vào tốc độ nạp mẫu……… 57 Hình 3.20: Đồ thị sự phụ thuộc hiệu suất rửa giải vào thể tích rửa giải……… 58 Hình 3.21: thị sự phụ thuộc hiệu suất rửa giải vào tốc độ rửa giải…………… 59 1 Mở đầu Môi trường là một trong những vấn đề mà hiện nay hầu hết ai cũng quan tâm, vấn đề không những tự nó phát sinh mà nguyên nhân chính là do nhu cầu cuộc sống của con người. Trong nhiều thập niên qua tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng đó là sự phát thải bừa bãi các chất ô nhiễm vào môi trường mà không được xử lý, gây nên hậu quả nghiêm trọng tác hại đến đời sống cộng đồng. Việt Nam chúng ta đã và đang coi trọng đến vấn đề xử lý môi trường, ngăn chặn tình trạng ô nhiễm. Khu vực Lâm Thao – Phú Thọ thuộc vùng trung du có địa hình đồi núi xen kẽ đồng bằng tương đối bằng phẳng, có cao độ khác nhau từ 5 đến 10m, và có độ dốc khác nhau. Đây là khu vực tập chung nhiều nhà máy xí nghiệp hoá chất, giấy, ắc qui, phân bón trên địa bàn tỉnh Phú Thọ. Môi trường nước ở đây dễ bị ảnh hưởng bởi nền sản xuất công nghiệp. Flo trong nước thải ra môi trường là chất độc gây hại trực tiếp đến các các loài thủy sinh và gây ô nhiễm nguồn nước. Đối với cơ thể con người flo cần thiết cho chống loãng xương và sâu răng. Theo tiêu chuẩn Việt Nam hàm lượng cho phép của flo trong nước uống là 0,5-1,5 mg/l. Nhưng nếu thường xuyên phải nhận lượng flo trên 6 mg/ ngày qua thức ăn và nước uống có thể gây nên nhiễm độc flo với các biểu hiện cứng khớp, giảm cân, giòn xương, thiếu máu và suy nhược Việc xử lý các nguồn nước thải chứa flo đã được đặt ra và thực hiện từ lâu nhưng trên thực tế chưa được thực hiện triệt để đối với một số cơ sở sản xuất có nguồn thải flo cao. Mặt khác việc phân tích xác định hàm lượng flo trong nước thải là một vấn đề không dễ thực hiện đối với các cơ sở sản xuất. Vì vậy rất khó để theo dõi đánh giá hiệu quả xử lý cũng như kiểm soát được chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Florua của khoáng sét và ứng dụng tách loại Florua khỏi nguồn nước thải. [...]... loại kiềm và các ion kim loại khác tới khả năng hấp phụ của F- 21 2.6 Nghiên cứu khả năng hấp phụ theo phương pháp động 2.6.1 Cách tiến hành VL2 được nạp vào cột có chiều dài L = 8 ÷ 10cm, đường kính d = 0,8cm Cho dung dịch chứa ion kim loại chảy qua cột với tốc độ 1ml/phút Xác định nồng độ ion F- sau khi đi qua cột và từ đó có thể tính được dung lượng hấp phụ 2.6.2 Tính toán - Dung lượng hấp phụ Dung... thời gian t - Hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch chất bị hấp phụ và nồng độ dung dịch ban đầu H= ( C0 − Ccb ) 100 C0 Trong đó: H: Hiệu suất hấp phụ C0: Nồng độ dung dịch ban đầu 22 Ccb: Nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng 2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH Để xác định ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ trong phương pháp hấp phụ động Qua nghiên cứu ở phương pháp tĩnh,... vào Ce Theo phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir: Ce q = e 1 K.q + max Ce q max Trong đó: qe: Độ hấp phụ riêng, là số gam chất bị hấp phụ/ 1g chất hấp phụ (mg/g) Ce: Nồng độ chất bị hấp phụ còn lại trong dung dịch ở thời điểm cân bằng (mg/l) K: Hằng số Langmuir qmax: Lượng chất bị hấp phụ cực đại trên bề mặt chất hấp phụ (mg/g) Như vậy nếu quá trình hấp phụ tuân theo phương trình Langmuir thì... liệu tách chất Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonit và các chất hấp phụ khác 16 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Nội dung nghiên cứu Trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu sâu các vấn đề sau: 1 Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện xác định flo bằng phương pháp đo quang dựa trên phản ứng tạo phức màu giữa Al3+ với thuốc thử Xylenol da cam 2 Chế tạo vật liệu hấp phụ Bentonit biến tính 3 Nghiên. .. được nghiên cứu Nichoson và Duff [23] đã nghiên cứu một cách hoàn thiện 7 nguyên tố khác nhau và cho rằng thời gian tối thiểu cần thiết là 20 phút Dung dịch đệm cũng được nghiên cứu và sử dụng là dung dịch đệm tris (Trishydroxylmethyl methyl amin), trion (Pyrocatechol 3,5 dinatri dis sunfonat), manitol, trietanolamin và salisylat Tuy nhiên trong các chất trên thì CDTA vẫn là chất tạo phức tốt nhất và. .. tính 3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp phụ của vật liệu 4 Áp dụng phân tích mẫu giả, xử lý một số mẫu thật 2.2 Dụng cụ và máy móc Dụng cụ, máy móc sử dụng bao gồm: - Máy đo pH (Sphott lab 850) - Máy quang phổ ( Specord 50 analytikjena – Đức) - Kính hiển vi điện tử quét được thực hiện trên máy JFM – 5410 LV của hãng YEOL – Nhật Bản - Cân phân tích, cân kỹ thuật - Máy cất nước hai lần -... tích điện dương khi pH càng thấp, và thuận lợi cho hấp phụ F-, ở vùng pH > 8,2 bề mặt tích điện âm và không còn khả năng trao đổi ion Khác với nhựa anionit mạnh, tính chọn lọc hấp phụ các anion trên  − Al2O3 theo trật tự : OH − > H 2 AsO4 − > Si ( OH )3 O − > F − > HSeO3 > SO42 − > CrO42 − >> HCO − > Cl − > NO3− > Br − > I − lên  − Al2O3 độ chọn lọc của OH- là lớn nhất và của I- là nhỏ nhất Để tái... lại dung lượng hấp phụ của vật liệu đối với F- ở pH = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Chúng tôi thấy rằng trong phương pháp hấp phụ động khoảng pH mà dung lượng hấp phụ cực đại là lớn hơn so với pha tĩnh 2.7 Phương pháp xác định florua Nguyên tắc: Nguyên tắc phương pháp xác định florua dựa vào phản ứng tạo phức mầu Al3+ với xylenol da cam: Xylenol da cam là thuốc thử hữu cơ có khả năng tạo phức... đường thẳng y = ax + b Trong đó hệ số góc của đường thẳng là: tgα = a = và b = 1 q (1) max 1 K q (2) max Từ (1) và (2) ta tính được hằng số Langmuir (K) và dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) 20 Ce/qe tgα O' O Ce Hình 2.1: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Dựa trên cơ sở đó, các mẫu vật liệu hấp phụ Bentonit được cho hấp phụ tĩnh với ion của F- trong dung dịch ở 250C với các nồng độ khác nhau Xác định nồng... đường thẳng y = ax + b và tính được dung lượng hấp phụ Langmuir đối với F- 2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của các ion lạ và các ion Trong thực tế, dung dịch thải ra của các nhà máy xí nghiệp hoá chất có nhiều ion kim loại: Fe3+, Al3+, Ca2+,Mg2+,Sn2+, Mn2+, Cl-, NO3-, SO42-, PO43-, AsO32- và các muối kim loại kiềm Chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của 1 số ion kim loại kiềm và ảnh hưởng của các ion kim loại Fe3+, . o0o BÙI THỊ PHƢƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION FLORUA TRÊN KHOÁNG SÉT YÊN BÁI VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÁCH FLORUA KHỎI NGUỒN NƢỚC Chuyên ngành: Hoá Phân Tích Mã số: 60 44. NHIÊN o0o BÙI THỊ PHƢƠNG THẢO NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION FLORUA TRÊN KHOÁNG SÉT YÊN BÁI VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÁCH FLORUA KHỎI NGUỒN NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC. trường. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Florua của khoáng sét và ứng dụng tách loại Florua khỏi nguồn nước thải. 2 CHƯƠNG1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung