nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion ni2+, cu2+ của một số lá cây và thử nghiệm xử lý môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRỊNH THU QUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION Ni 2+ , Cu 2+ CỦA MỘT SỐ LÁ CÂY VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRỊNH THU QUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION Ni 2+ , Cu 2+ CỦA MỘT SỐ LÁ CÂY VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ HỮU THIỀNG THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ chân tình của PGS. TS. Lê Hữu Thiềng. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Thấy đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thày, cô Khoa Hoá học - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Khoa sau Đại học trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã ưu ái tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã thường xuyên quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thiện luận văn này. Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 11 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb 11 Hình 2.1. Đường chuẩn xác định nồng độ Ni 25 Hình 2.2. Đường chuẩn xác định nồng độ Cu 25 Hình 2.3. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá chè vào thời gian 27 Hình 2.4. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá mía vào thời gian 28 Hình 2.5. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá ngô vào thời gian 29 Hình 2.6. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá chè vào pH 31 Hình 2.7. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá mía vào pH 32 Hình 2.8. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá ngô vào pH 33 Hình 2.9. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng lá chè 35 Hình 2.10. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng lá mía 36 Hình 2.11. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào khối lượng lá ngô 37 Hình 2.12. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni 2+ của lá chè 40 Hình 2.13. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb đối với Ni 2+ của lá chè 40 Hình 2.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu 2+ của lá chè 41 Hình 2.15. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb đối với Cu 2+ của lá chè 41 Hình 2.16. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni 2+ của lá mía 42 Hình 2.17. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb đối với Ni 2+ của lá mía 42 Hình 2.18. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu 2+ của lá mía 42 Hình 2.19. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb đối với Cu 2+ của lá mía 42 Hình 2.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Ni 2+ của lá ngô 43 Hình 2.21. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb đối với Ni 2+ của lá ngô 43 Hình 2.22. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với Cu 2+ của lá ngô 44 Hình 2.23. Sự phụ thuộc của C cb /q vào C cb đối với Cu 2+ của lá ngô 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tiêu chuẩn Bộ Y tế về giới hạn hàm lượng kim loại nặng trong nước ăn uống 04 Bảng 1.2. Một số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt thông dụng. 09 Bảng 2.1. Điều kiện đo phổ F – AAS của Ni, Cu 24 Bảng 2.2. Độ hấp thụ quang (Abs) của các dung dịch. 24 Bảng 2.3. Các thông số hấp phụ Ni 2+ , Cu 2+ của lá chè, lá mía, lá ngô 26 Bảng 2.4. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của lá chè 27 Bảng 2.5. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của lá mía 28 Bảng 2.6. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của lá ngô 29 Bảng 2.7. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ đối của lá chè, lá mía, lá ngô. 30 Bảng 2.8. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của lá chè 31 Bảng 2.9. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của lá mía 32 Bảng 2.10. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ, hiệu suất hấp phụ của lá ngô 33 Bảng 2.11. pH tối ưu cho quá trình hấp phụ Ni 2+ , Cu 2+ của các lá chè, lá mía, lá ngô 34 Bảng 2.12. Ảnh hưởng của khối lượng lá chè đến khả năng hấp phụ Ni 2+ và Cu 2+ 35 Bảng 2.13. Ảnh hưởng của khối lượng lá mía đến khả năng hấp phụ Ni 2+ và Cu 2+ 36 Bảng 2.14. Ảnh hưởng của khối lượng lá ngô đến khả năng hấp phụ Ni 2+ và Cu 2+ 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bảng 2.15. Ảnh hưởng của kích thước lá chè đến khả năng hấp phụ Ni 2+ và Cu 2+ 38 Bảng 2.16. Ảnh hưởng của kích thước lá mía đến khả năng hấp phụ Ni 2+ và Cu 2+ 38 Bảng2.17. Ảnh hưởng của kích thước lá ngô đến khả năng hấp phụ Ni 2+ và Cu 2+ 39 Bảng 2.18. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của lá chè 40 Bảng 2.19. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của lá mía 41 Bảng 2.20. Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của lá ngô 43 Bảng 2.21. Dung lượng và hiệu suất hấp phụ của các loại lá cây khi hấp phụ hỗn hợp Ni 2+ và Cu 2+ 44 Bảng 2.22. Dung lượng và hiệu suất hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô khi hấp phụ hỗn hợp Ni 2+ và Cu 2+ …………………………….45 Bảng 2.23. Kết quả xử lý mẫu nước thải chứa Ni 2+ bằng các lá cây 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp nặng như khai mỏ, luyện kim, hóa dầu, ô tô, mạ kim loại, pin trong những năm gần đây không những thúc đẩy sự tăng trưởng mạnh mẽ nền kinh tế thế giới, phát triển cơ sở hạ tầng mà còn tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái, đe dọa nghiêm trọng đến sức khoẻ con người. Nhịp độ phát triển ngành công nghiệp đang vượt qua sự phát triển của cơ sở hạ tầng dẫn đến trang thiết bị, cơ sở vật chất để xử lý chất thải còn thiếu, chưa đáp ứng nhu cầu thực tế. Chính vì vậy, nồng độ kim loại nặng như: Pb, Mn, Ni, Cu, As, Zn trong chất thải chưa hoặc đã qua xử lý thải vào môi trường ngày càng cao. Đây là một trong những nguyên nhân làm môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là môi trường nước. Ở Việt Nam đa số các ngành công nghiệp đều đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển và hiện không có đủ các phương tiện cần thiết để giảm và loại trừ các kim loại nặng trong chất thải, do đó số lượng và hàm lượng các kim loại nặng thải vào môi trường ngày càng cao đã ảnh hưởng rất lớn đến nguồn nước sinh hoạt của người dân; đặc biệt là các khu dân cư gần các nhà máy, khu công nghiệp, khu chế xuất… Tiêu biểu như vụ công ty Vedan thải trực tiếp chất thải chưa qua xử lý ra môi trường đã bị phát hiện trong thời gian gần đây. Ở nhiều nơi, nguồn nước sinh hoạt đang bị ô nhiễm nghiêm trọng ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe và cuộc sống của người dân. Việc loại bỏ các kim loại nặng, độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nguồn nước sinh hoạt đang là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Bên cạnh các phương pháp truyền thống sử dụng tách kim loại nặng trong dung dịch nước với những ưu thế không thể phủ nhận bao gồm: phương pháp kết tủa, trao đổi ion, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 thẩm thấu ngược, chiết dung môi người ta đã bắt đầu nghiên cứu các biện pháp sinh học để tách các kim loại nặng trong nước. Các phương pháp truyền thống được dùng để xử lý nguồn nước ô nhiễm có nồng độ kim loại cao như nước thải công nghiệp có nhược điểm là chi phí đầu tư rất lớn. Vì vậy người ta đã nghiên cứu, sử dụng các biện pháp sinh học để tách loại các kim loại nặng trong dung dịch nước. Đây là công nghệ mới dùng các vật liêu hấp phụ là các nguyên liệu tự nhiên như: đá tự nhiên, lá cây, rễ cây tự nhiên hoặc đã hoạt hóa rất phổ biến, dễ kiếm để hấp phụ các ion kim loại nặng. Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các vật liệu sinh học tự nhiên như lá chè, bã chè, lá mía, bã mía, lá ngô, lõi ngô, vỏ khoai tây, vỏ mít, xơ dừa, bèo tây để hấp phụ các kim loại nặng như Pb, Ni, Cu, Co, Mn, Fe trong dung dịch nước và hiệu quả ngay ở nồng độ thấp. Nhiều trong số các công trình đó được ứng dụng vào thực tiễn xử lý nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng ở các nhà máy và khu dân cư. Các vật liệu sinh học tự nhiên dùng để hấp phụ các kim loại nặng có thể là các chất thải, các phụ phẩm ngành nông nghiệp, công nghiệp rất sãn có, dễ tìm kiếm, rẻ tiền, thân thiện với môi trường, hấp phụ được các kim loại nặng trong nước ngay ở nồng độ rất thấp, phù hợp với việc làm sạch nguồn nước sinh hoạt. Đây là ưu điểm nổi bật mà các phương pháp truyền thống không có được. Việt Nam là nước nông nghiệp, phần lớn người dân sinh sống bằng nghề trồng lúa và hoa màu nên các phụ phẩm công - nông nghiệp như lá chè, lá mía, lá ngô rất sẵn có. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Ni 2+ , Cu 2+ của một số lá cây và thử nghiệm xử lý môi trường”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Với mục đích đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: 1. Chuẩn bị vật liệu hấp phụ từ lá chè, lá mía, lá ngô. 2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: thời gian; pH; khối lượng, kích thước lá cây; nồng độ các ion Ni 2+ , Cu 2+ đến khả năng hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô. 3. Khảo sát khả năng hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô đối với hỗn hợp các ion Ni 2+ , Cu 2+ . 4. Xử lý thử một mẫu nước thải chứa Ni 2+ bằng lá chè, lá mía, lá ngô. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Sơ lƣợc về chất bị hấp phụ 1.1.1. Sơ lược về kim loại nặng Kim loại nặng là khái niệm để chỉ các kim loại có nguyên tử lượng cao và thường có độc tính đối với sự sống. Một số kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên tố vi lượng; một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây độc hại gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Kim loại nặng thường liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Nguồn gốc phát thải của kim loại nặng có thể là tự nhiên (như asen-As), hoặc từ hoạt động của con người, chủ yếu là từ công nghiệp (các chất thải công nghiệp) và từ nông nghiệp Có một số hợp chất kim loại nặng bị thụ động và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do độ chua của đất, của nước mưa. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm nguồn nước. Các kim loại nặng có mặt trong nước qua nhiều giai đoạn khác nhau trước sau cũng đi vào chuỗi thức ăn của con người. Chẳng hạn các vi sinh vật có thể chuyển thuỷ ngân (Hg) thành hợp chất metyl thủy ngân (CH 3 ) 2 Hg, sau đó qua động vật phù du, tôm, cá mà thuỷ ngân đi vào thức ăn của con người. Sự kiện ngộ độc thủy ngân hàng loạt ở Vịnh Manimata (Nhật Bản) năm 1953 là một minh chứng rất rõ về quá trình nhiễm thủy ngân từ công nghiệp vào thức ăn của con người. Khi đã nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng có thể tích tụ lại trong các mô. Đồng thời với quá trình đó cơ thể lại đào thải dần kim loại nặng. Nhưng các nghiên cứu cho thấy tốc độ tích tụ kim loại nặng thường nhanh hơn tốc độ đào [...]... loại lá có khả năng hấp phụ kim loại nặng khác nhau Đối với Ni2+: Lá chè hấp phụ tốt nhất, lá mía hấp phụ kém nhất Đối với Cu2+: Lá chè hấp phụ tốt nhất, lá ngô hấp phụ kém nhất 2.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ Ni 2+, Cu2+ của lá chè, lá mía, lá ngô 2.4.1 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của lá chè, lá mía, lá ngô Tiến hành quá trình hấp phụ từng ion Ni2+ và Cu2+ có... giải hấp phụ hay phản hấp phụ Quá trình hấp phụ có tỏa ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ Bề mặt của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ tỏa ra càng lớn Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [1], [5], [8], [12] 1.2.1.1 Hấp phụ. .. vậy hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý khác nhau về bản chất khác Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý, tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt độ, áp suất ) [5], [8] 1.2.2 Cân bằng hấp phụ Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Trong một hệ hấp. .. chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ sẽ phụ thuộc vào hai quá trình khuếch tán [1], [12] 1.2.4 Hấp phụ trong môi trường nước 1.2.4.1 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp vì ngoài các phân tử chất tan còn có các phân tử nước Quá trình hấp phụ là kết quả của những tương tác giữa nước - chất tan - chất hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong... hưởng đến các nhóm chức bề mặt của chất hấp phụ do sự phân li các nhóm chức Tính chọn lọc và tính cạnh tranh của quá trình hấp phụ trong môi trường nước bị ảnh hưởng bởi mối tương quan giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Ngoài ra, tính chọn lọc và cạnh tranh còn phụ thuộc kích thước phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ [1], [11], [12] 1.2.4.2 Đặc tính của các ion kim loại trong môi trường nước... phạm vi đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cân bằng hấp phụ của vật liệu hấp phụ là các loại lá tự nhiên không qua hoạt hóa gồm: lá chè, lá ngô, lá mía đối với Ni2+, Cu2+ trong môi trường nước theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich [5], [8] 1.2.3 Động học của quá trình hấp phụ Trong quá trình hấp phụ, sự hấp phụ không xảy ra đồng thời vì các phân tử chất bị hấp phụ phải khuếch tán từ dung... trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tính chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 độ kị nước của các chất bị hấp phụ trong môi trường. .. phản hấp phụ, tức là có sự chuyển các ion hoặc phân tử chất bị hấp phụ từ bề mặt chất hấp phụ vào dung dịch Sau một thời gian xác định, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ phản hấp phụ ta có một cân bằng hấp phụ (cân bằng động) Với mỗi nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường ta có trạng thái cân bằng khác nhau Trong quá trình hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử, do đó xảy ra nhanh hơn Sự hấp phụ. .. fomadehit của nhóm nghiên cứu khoa kỹ thuật trường đại học Putra Malaysia (UPM) cho thấy có khả năng hấp phụ metyl đỏ tốt hơn bã mía chỉ qua xử lý vật lý [21] Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng VLHP có nguồn gốc tự nhiên để xử lý môi trường Nhóm nghiên cứu gồm: Lê Thanh Hưng, Phạm Thành Quân, Lê Minh Tâm, Nguyễn Xuân Thơm - Trường đại học Bách khoa - ĐHQGHCM đã nghiên cứu khả năng hấp phụ. .. Sự hấp phụ vật lý ít phụ thuộc vào bản chất hóa học của bề mặt, không có sự biến đổi cấu trúc của các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà chỉ phụ thuộc vào những điều kiện về nhiệt độ, áp suất Hấp phụ vật lý có thể xảy ra đơn lớp hoặc đa lớp [5], [8] 1.2.1.2 Hấp phụ hóa học Khác với hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ xảy ra bởi lực có bản chất hóa học (liên kết ion, liên kết . lá mía, lá ngô rất sẵn có. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, chúng tôi đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Ni 2+ , Cu 2+ của một số lá cây và thử nghiệm xử lý môi trường Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá mía vào thời gian 28 Hình 2.5. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá ngô vào thời gian 29 Hình 2.6. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ của lá. TRỊNH THU QUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION Ni 2+ , Cu 2+ CỦA MỘT SỐ LÁ CÂY VÀ THỬ NGHIỆM XỬ LÝ MÔI TRƢỜNG CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 60.44.29 LUẬN