Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) của vật liệu chế tạo từ bã chè và ứng dụng xử lý nước thải mạ điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM MAI QUANG KHUÊ NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ BÃ CHÈ VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI MẠ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM MAI QUANG KHUÊ NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ BÃ CHÈ VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI MẠ ĐIỆN Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 66.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Trà Hƣơng THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) bằng vật liệu chế tạo từ bã chè và ứng dụng xử lý nước thải mạ điện” 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 2015 Tác giả luận văn Mai Quang Khuê Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Trà Hƣơng, cô giáo trực tiếp hƣớng 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 trƣờng Đại học Sƣ 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, trƣờng Đại học Sƣ 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 Tuyên Quang, Ban Giám hiệu, tập thể giáo viên Trƣờng Trung học Phổ thông Chiêm Hóa tỉnh Tuyên Quang 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 đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những ngƣời đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 4 năm 2015 Tác giả MAI QUANG KHUÊ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu về Crom 3 1. 1.1. Vai trò của Crom 3 1.1.2. Độc tính của Crom 3 1.1.3. Quá trình trao đổi chất 3 1.1.4. Độ độc hại 4 1.1.5. Ảnh hƣởng của Crom đối với động thực vật 4 1.1.6. Ảnh hƣởng của Crom đối với con ngƣời 4 ệp 5 1.2. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng 6 1.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 8 1.3.1. Công nghệ mạ điện, khai thác khoáng sản và luyện kim 8 1.3.2. Công nghệ sản xuất các hóa chất vô cơ 9 1.3.3. Quá trình sản xuất sơn, mực và thuốc nhuộm 9 1.4. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chứa Crom(VI) 9 1.4.1. Phƣơng pháp hóa học 9 1.4.2. Phƣơng pháp trao đổi ion 10 1.4.3. Phƣơng pháp điện hóa 11 1.4.4. Phƣơng pháp hấp phụ 12 1.4.5. Phƣơng pháp sinh học 12 1.5. 13 1.5 13 1.5.2. Cân bằng hấp phụ 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 1.5.3. Kỹ thuật hấp phụ 14 15 1.5.5. Hiệu suất hấp phụ 16 1.5.6. Quá trình hấp phụ động trên cột 16 1.5.7. Quá trình chuyển khối trong cột 17 1.5.8. Phƣơng trình tính toán hấp phụ động trên cột hấp phụ 18 1.5.9. 20 1.6. Đặc tính vật liệu có nguồn gốc cellulose 23 1.7. Giới thiệu về cây chè 25 1.8. Tình hình nghiên cứu về vật liệu hấp phụ bã chè 26 1.8.1. Sử dụng bã chè, các chất thải chè chƣa biến tính 27 1.8.2. Sử dụng bã chè, các chất thải chè biến tính 28 1.9. Định lƣợng Cr(VI) bằng phƣơng pháp trắc quang 28 1.9.1. Nguyên tắc 28 1.9.2. Các yếu tố cản trở 29 1.9.3. Phản ứng tạo phức của Cr(VI) với 1,5-diphenylcacbazide 29 1.10. Một số phƣơng pháp nghiên cứu sản phẩm 29 1.10.1. Phƣơng pháp phồ Hồng ngoại (IR) 29 1.10.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét qua (SEM) 30 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM 31 2.1. Dụng cụ và hóa chất 31 2.1.1. Thiết bị 31 31 2.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ bã chè biến tính KOH (VLHP) 31 2.3. Khảo sát đặc điểm bề mặt, tính chất vật lý của VLHP 31 2.4. So sánh hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của bã chè chƣa biến tính và VLHP 32 2.5. Xác định điểm đẳng điện của bã chè chƣa biến tính và VLHP 32 2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng hấp phụ của ion Cr(VI) của VLHP theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh 32 2.6.1. Khảo sát ảnh hƣởng của pH 32 2.6.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.6.3. Khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP 33 2.6.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ 33 2.6.5. Khảo sát ảnh hƣởng của kích thƣớc vật liệu 33 2.6.6. Khảo sát ảnh hƣởng của ion lạ 33 2.6.7. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu 35 2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng hấp phụ của ion Cr(VI) của VLHP theo phƣơng pháp hấp phụ động 35 2.7.1. Chuẩn bị cột hấp phụ 35 2.7.2. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ Cr(VI) 36 2.7.3. Tái sử dụng vật liệu 37 2.8. Xử lý thử mẫu nƣớc thải chứa Cr(VI) 37 2.8.1. Xử lý nƣớc thải nhà máy Khóa Việt Tiệp - Hà Nội theo phƣơng pháp tĩnh 37 2.8.2. Xử lý nƣớc thải nhà máy Khóa Việt Tiệp - Hà Nội theo phƣơng pháp động 37 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1. Lập đƣờng chuẩn xác định nồng độ Cr(VI) 38 3.2. Kết quả khảo sát đặc điểm bề mặt, tính chất vật lý của VLHP 38 3.3. So sánh hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của bã chè chƣa biến tính và VLHP 43 3.4. Điểm đẳng điện của bã chè chƣa biến tính và VLHP 43 3.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng hấp phụ của ion Cr(VI) của VLHP theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh 45 3.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian 48 3.5.3. Khảo sát ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP 49 3.5.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ 50 3.5.5. Khảo sát ảnh hƣởng của kích thƣớc vật liệu 51 3.5.6. Khảo sát ảnh hƣởng của ion lạ 52 3.5.6.1. Ảnh hƣởng của các anion đến quá trình hấp phụ 52 3.5.7. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu 54 3.6. Khảo sát dung lƣợng hấp phụ ion Cr(VI) theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 55 3.7. Khảo sát dung lƣợng hấp phụ ion Cr(VI) theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 3.8. Động học hấp phụ Cr(VI) 57 3.9. Nhiệt động lực học hấp phụ Cr(VI) của VLHP 60 3.10. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng hấp phụ của ion Cr(VI) của VLHP theo phƣơng pháp hấp phụ động 62 3.10.1. Thí nghiệm với dung dịch Cr(VI) tự pha 62 3.10.2. Giải hấp vật liệu sau khi hấp phụ Cr(VI) 65 3.10.3. Tái sử dụng vật liệu 67 3.11. Xử lý thử mẫu nƣớc thải chứa Cr(VI) 68 3.11.1. Xử lý nƣớc thải nhà máy Khóa Việt Tiệp -Hà Nội theo phƣơng pháp tĩnh 68 3.11.2. Xử lý nƣớc thải nhà máy Khóa Việt Tiệp- Hà Nội theo phƣơng pháp động 69 3.12. Mô hình xử lý nƣớc thải mạ điện 70 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 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 trƣờng 3 IR Infrared (IR) spectroscopy (Phổ hồng ngoại) 4 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 5 SEM Seaning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) 6 VLHP Vật liệu hấp phụ 7 M 2 Bã chè chƣa biến tính 8 M 4 Bã chè biến tính bằng KOH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Giá trị giới hạn nồng độ (VI) trong nƣớc thải công nghiệp 6 Bảng 2.1: Các thông số của cột hấp phụ 36 Bảng 2.2: Một số thông số của nƣớc thải nhà máy Việt Tiệp – Hà Nội 36 Bảng 3.1: Số liệu xây dựng đƣờng chuẩn Cr(VI) 38 Bảng 3.2. Diện tích bề mặt riêng của bã chè chƣa biến tính và VLHP 39 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ Cr(VI) vào VLHP 43 Bảng 3.4: Kết quả xác định điểm đẳng điện của bã chè chƣa biến tính và VLHP 44 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP 46 Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của thời gian đến dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ của VLHP 48 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của khối lƣợng VLHP đến dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ 49 Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ 50 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của kích thƣớc vật liệu đến dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ 51 Bảng 3.10. Ảnh hƣởng của ion Cl , 2 4 SO , 3 NO tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP 52 Bảng 3.11. Ảnh hƣởng của ion 2 Cu , Na , K tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của VLHP 53 Bảng 3.12: Ảnh hƣởng của nồng độ đầu của ion Cr(VI) đến dung lƣợng, hiệu suất hấp phụ 54 Bảng 3.13: Dung lƣợng hấp phụ cực đại q max và hằng số Langmuir b 56 Bảng 3.14: Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của lgq vào lgC cb trong quá trình hấp phụ ion Cr(VI) của VLHP 56 Bảng 3.15: Các hằng số của phƣơng trình Freundlich đối với Cr(VI) 57 Bảng 3.16: Các số liệu hấp phụ của Cr(VI) 58 Bảng 3.17: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 1 đối với Cr(VI) 59 Bảng 3.18: Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 2 đối với Cr(VI) 59 Bảng 3.19: Kết quả tính K D tại các nhiệt độ khác nhau 61 Bảng 3.20: Các thông số nhiệt động đối với quá trình hấp phụ Cr(VI) 61 Bảng 3.21. Kết quả thực nghiệm 64 Bảng 3.22: Các hằng số hấp phụ động 65 [...]... chúng tôi quyết định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) của vật liệu chế tạo từ bã chè và ứng dụng xử lý nƣớc thải mạ điện Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã chè biến tính bằng KOH (VLHP) - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của VLHP bằng phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR), phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phƣơng pháp đo diện... Khảo sát khả năng hấp phụ và các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ của VLHP chế tạo đƣợc theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh và theo phƣơng pháp hấp phụ động - Sử dụng VLHP chế tạo đƣợc thử xử lý mẫu nƣớc thải chứa Cr(VI) theo phƣơng pháp hấp phụ tĩnh và hấp phụ động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về Crom 1 1.1 Vai trò của Crom Crom là... với vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (biomass) đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới Phƣơng pháp này thực chất là kỹ thuật hấp phụ sử dụng vật liệu có nguồn gốc biomass làm lớp đệm Mặc dù còn nhiều ý kiến khác nhau, nhƣng cơ chế của quá trình hấp phụ có thể phân thành hai loại: hấp phụ do tƣơng tác tĩnh điện và hấp phụ nội tại [2], [3] Tương tác tĩnh điện: có thể quan sát đƣợc từ. .. Gi 1.5 - - Hấp phụ vật lí: gây ra bởi lực tƣơng tác Vanderwaals giữa phần tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ Lực liên kết này yếu dễ bị phá vỡ Quá trình hấp phụ vật lí là một quá trình thuận nghịch Hấp phụ hóa học: gây ra bởi các lực liên kết hóa học giữa phần tử chất bị hấp phụ với phần tử chất hấp phụ Lực liên kết này bền, khó bị phá vỡ Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học... hóa học chỉ là tƣơng đối Trong một số hệ thống phụ, sự hấp phụ xảy ra đồng thời cả hai quá trình hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học [2], [3], [11] 1.5.2 Cân bằng hấp phụ Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấp phụ trên bề mặt hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngƣợc trở lại pha thể tích Khi lƣợng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngƣợc trở... quá trình hấp phụ các cation kim loại và các anion trên bề mặt chất hấp phụ Đối với trƣờng hợp xử lý nƣớc thải mạ Crom chứa nhiều ion Cr(VI), ở độ pH thấp chúng thƣờng tồn tại trong dung dịch dƣới dạng HCrO4- Khi đó, nếu bề mặt chất hấp phụ tích điện dƣơng chúng sẽ bị hấp dẫn tĩnh điện và bị khử xuống Cr(III) theo phƣơng trình: + HCrO -4 + 7H + 3e- Cr 3 + 4H2O (1.5) Chế độ hấp phụ nội tại: Hấp phụ nội... pháp hấp phụ đƣợc xem là phƣơng pháp ƣu việt nhất Sử dụng phƣơng pháp này có thể xử lý triệt để, loại bỏ hầu hết các chất vô cơ và hữu cơ, màu sắc, mùi vị, không để lại ô nhiễm phụ sau xử lý, thu gom và kiểm soát đƣợc hoàn toàn chất thải Tuy nhiên, điều này cũng còn phụ thuộc vào khả năng chất hấp phụ sử dụng và kinh phí cho phép [7], [8], [9], [10], [13], [15-30] Xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp hấp phụ. .. hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ của VLHP 46 Hình 3.9 : Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của thời gian đến dung lƣợng hấp phụ của VLHP 48 Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ vào Khối lƣợng VLHP 50 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào nhiệt độ 51 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của ion Cl , SO42 , NO3 tới hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của. .. (phƣơng pháp gián đoạn), song hấp phụ động có nhiều ƣu điểm hơn về công nghệ và quản lý nhƣ: - Cho hiệu suất xử lý tin cậy và ổn định; - Khi hoàn nguyên không phải đƣa vật liệu hấp phụ ra khỏi bể lọc do đó cho phép dễ dàng tự động hóa và điều khiển từ xa; - Cho phép sử dụng tối đa dung tích vật liệu hấp phụ khi cho nƣớc chảy qua Nồng độ chất bị hấp phụ giảm dần từ Co ở tiết diện vào tới C = Cmin ~ 0 ở tiết... suất hấp phụ (%) C 0 : Nồng độ đầu của ion kim loại (mg/L) C t : Nồng độ ion kim loại sau khi ra khỏi cột hấp phụ đo tại thời điểm t (mg/L) 1.5.6 Quá trình hấp phụ động trên cột Quá trình hấp phụ động trên cột đƣợc mô tả nhƣ sau [2]: Cho một dòng khí hay dung dịch chứa chất bị hấp phụ qua cột hấp phụ Sau một thời gian thì cột hấp phụ chia làm ba vùng: Vùng 1 (Đầu vào nguồn xử lý) : Chất hấp phụ đã bão . Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) của vật liệu chế tạo từ bã chè và ứng dụng xử lý nƣớc thải mạ điện . Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: - Chế tạo vật liệu hấp phụ. NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO TỪ BÃ CHÈ VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI MẠ ĐIỆN Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 66.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT. tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: Nghiên cứu hấp phụ Cr(VI) bằng vật liệu chế tạo từ bã chè và ứng dụng xử lý nước thải mạ điện