nghiên cứu hấp thụ po3 4 hydrotalcite

III - Mục đích đề tài: - Nghiên cứu khả năng hấp phụ PO43- bằng hydrotalcite IV - Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm kiếm thông tin liên quan đến đề tài - Tham khảo ý kiến từ chuyên gia -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU HẤP THỤ PO3-/4 HYDROTALCITE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ PO4 3- BẰNG

HYDROTALCITE

MÃ SỐ: SV2010 - 39

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ :NGUYỄN THỊ THÙY QUYÊN

NGƯỜI THAM GIA :PHẠM THỊ HƯỜNG

ĐƠN VỊ :KHOA CN HÓA HỌC & THỰC PHẨM

MỤC LỤC

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ 3

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 3

I - Giới thiệu sơ lược về photpho: 3

II - Sự cần thiết của đề tài 5

III - Mục đích đề tài: 6

IV - Nhiệm vụ nghiên cứu: 6

V - Đối tượng nghiên cứu: 6

VI - Phạm vi nghiên cứu: 6

VII - Phương pháp nghiên cứu: 6

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 7

I - Tổng quan về vật liệu hấp phụ (Hydrotalcite): 7

II - Tổng quan về chất cần hấp phụ (PO4)3-: 9

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 12

I - Cơ sở lý thuyết về phương pháp hấp phụ: 12

II- Cân bằng và đẳng nhiệt hấp phụ: 13

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, HÓA CHẤT 17

I- Dụng cụ: 17

II- Thiết bị: 17

III- Hóa chất và vật liệu : 17

IV- Một số lưu ý khi sử dụng thiết bi ,dụng cụ và hóa chất 18

PHẦN II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 19

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM 19

I- Pha dung dịch Phốtphát chuẩn 19

II- Pha dung dịch ammonium molybdate: 19

III- Dung dịch SnCl2: 19

IV- Khảo sát ảnh hưởng thời gian tiếp xúc: 19

V- Khảo sát sự ảnh hưởng của pH 19

VI- Lập đường chuẩn của phôtphat: 19

VII- Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ: 21

VIII- Khảo sát theo động học hấp phụ : 21

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

I- Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian: 22

II- Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH: 23

III- Kết quả khảo sát về phương trình đẳng nhiệt hấp phụ: 24

IV- Khảo sát theo động học hấp phụ: 26

PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 32

I KẾT LUẬN: 32

II KIẾN NGHỊ: 33

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

- Phôtpho là một á kim, nguyên tử lượng 31, tỷ trọng 1.83, điểm nóng chảy 94

oC, điểm sôi 278 oC, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ Là một chất rắn, dễ gãy ở nhiệt độ thường, mềm dễ uốn, có ba dạng thù hình là trắng (vàng), đỏ và phôtpho pryromorphic

B - Nguồn photpho trong tự nhiên:

- Các vi sinh vật biển nhận một lượng đáng kể phôtpho từ các nguồn thực phẩm hoặc các cơ thể chết dưới dạng phôtpho khó hòa tan hoặc phôtphate vô cơ hòa tan Chỉ một phần nhỏ phôtphate ở dưới đất (5%) là có thể được cây trồng hấp thụ vì chỉ có đihyđrôgenphôtphate (H2PO4-) có thể hòa tan tốt trong nước Các phôtphate vô cơ khó hòa tan sẽ tồn tại trong đất và sau này có thể bị các axit như axit limonic, axit sunfuric hòa tan và đi vào thành phần của nguyên sinh động vật Các phôtpho tồn tại ở các gốc rễ cây trồng, sẽ từ từ thủy phân ở dạng các khoáng vi sinh do quá trình phôtphate hóa

- Lượng phôtphate trong hệ sinh thái nước và sinh vật trên cạn không đủ cung cấp dinh dưỡng cho các thực vật (lượng phôtphate này chỉ vào khoảng 0,5 – 5% khối lượng, cho nên phôtpho thường được biểu thị như là chất dinh dưỡng hạn định Sự thiếu hụt này được bổ sung bởi các hoạt động nhân tạo như việc sản xuất các phân bón phôtphate từ các quặng phôtphate (superphôtphate, đisuperphôtphate, NPK… ) Lượng phôtpho dư trong phân bón thấm qua đất, qua sông ra biển và lắng ở đó Trong nước mưa nồng độ có từ 10 – 100 mg/m3

( do bụi, muối biển bốc hơi, các quá trình có nhiệt độ cao và quá trình chuyển hóa phôtpho trong khí quyển) Nguồn phát sinh phôtpho bao gồm:

 Trong tự nhiên

 Sản xuất bom, đạn

 Sản xuất hóa chất, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật

 Chất thải, các chất bài tiết của động vật

 Trong bùn thải của hệ thống xử lý nước thải…

 Các dạng thù hình của photpho:

C – Độc tính của photpho đối với con người:

1 Nhiễm độc cấp tính

a Tác dụng cục bộ:

 Do va chạm với P gây bỏng, vết thương lâu lành

 Hóa chất P kích ứng mạnh da, mắt và đường hô hấp (cảm giác bỏng, ho)

 Hít phải nồng độ cao của P trong không khi gây viêm phế quản, có thể phù phổi

b Tác dụng toàn thân:

 Nuốt phải P gây ra nhiễm độc toàn thân Nguyên nhân có thể do tai nạn, nhầm lẫn, tự tử Hậu quả là tổn thương gan, thận, cơ tim, tiểu động mạch…, có thể tử

 Nuốt phải P sau ½ giờ xảy ra các triệu chứng kích ứng dạ dày – ruột rất nghiêm trọng Tử vong xảy ra do suy tim – mạch

 Giai đoạn đầu kéo dài khoảng 24 giờ, có thể tiếp theo một giai đoạn tiềm tàng kéo dài từ vài giờ đến vài ngày

 Giai đoạn tiếp theo xuất hiện đau bụng dưới kèm theo buồn nôn, nôn, nôn ra máu, giảm niệu, lẫn tâm thần, co giật, hôn mê và tử vong

 Mổ tử thi phát hiện các tổn thương nghiêm trọng của gan, tim, thận Trong trường hợp sống sót có thể bị xơ gan Trong phòng tối thấy phát quang các chất trong dạ dày, phân, nước tiểu, … là đặc trưng nhiễm độc phôtpho trắng

 Các triệu chứng trên hiếm gặp trong môi trường công nghiệp tiếp xúc với phôtpho trắng

2 Nhiễm độc mãn tính:

 Hít thở lâu dài P trắng trong không khí môi trường lao động dẫn đến tác hại hệ thống xương, hoại tử các xương hàm; khí tiêu, đau bụng dưới; suy mòn; chứng vàng da; bệnh gan và thận; tổn thương gan dẫn đến viêm gan nhiễm độc

 Giảm đường huyết nghiêm trọng

 Các biến đổi điện tâm đồ do viêm cơ tim

 Rối loạn chất điện giải

 Bệnh ảnh hưởng đến răng; bệnh tiến triển làm hàm sưng lên, đau, mất răng, xoang tạo thành các ổ hoại tử ở hàm…

II - Sự cần thiết của đề tài

- Nhiều hợp chất phosphate có ảnh hưởng rất nhiều lên quá trình xử lý chất thải Thông thường thì các dạng phosphate vô cơ và các polyphosphate gây ảnh hưởng nhiều nhất

- Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng phosphate là một trong những nguyên tố ảnh hưởng lên sự tăng trưởng và phát triển của tảo và vi khuẩn, ở những nơi có hàm lượng phosphate cao làm thúc đẩy hiện tượng nở hoa của tảo gây ảnh hưởng đến môi trường Vì vậy, việc xác định hàm lượng phosphate đã trở nên quan trọng đối với các kỹ sư môi trường để có thể giảm đi phần nào tác hại của phosphate trong tự nhiên

III - Mục đích đề tài:

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ (PO4)3- bằng hydrotalcite

IV - Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm kiếm thông tin liên quan đến đề tài

- Tham khảo ý kiến từ chuyên gia

- Tiến hành thí nghiệm, khảo sát thực nghiệm

- Tổng quan về dung dịch photphate và ion PO4

3 Tổng quan về phân tử hydrotalcite

- Tìm hiểu các phương pháp hấp phụ

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của hydrotalcite đối với

dung dịch photphate

VII - Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết: Thu thập và nghiên cứu tài liệu, định hướng các bước thực hiện Thừa kế và vận dụng các phương pháp đã công bố

- Phương pháp thực nghiệm: khảo sát ảnh hưởng của yếu tố thời gian, hàm lượng , pH tới quá trình hấp phụ ion photphat bằng hydrotalcite

- Phương pháp mô phỏng bằng đồ thị, và xử lý số liệu trong excel

- Phương pháp chuyên gia: Là công cụ đắc lực khi gặp những vấn đề khó khăn trong nghiên cứu Có thể tham khảo ý kiến chuyên gia như gặp mặt trực tiếp trao đổi về vấn

đề cần nghiên cứu

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN

I - Tổng quan về vật liệu hấp phụ (Hydrotalcite):

- Hydrotalcite là tên gọi của hợp chất vô cơ Aluminium Magnesium Carbonate Hydroxide Hydrate, công thức Mg6 Al2(OH)16CO3.4H2O, thực chất là sự kết hợp: 5Mg(OH)2 +2Al OH)3 +MgCO3 +4H2O để cho hợp chất giống như phức chất Hydrotalcite không tan trong nước, khi uống vào dạ dày sẽ trung hòa acid dịch vị (tính chất của thuốc kháng acid) đồng thời phóng thích khí CO2 phần nào giúp chống đầy hơi Hydrotalcite là một hydroxit của nhôm, magiê, nó có dạng bảng, màu trắng, tinh thể lục giác, rất mềm mại và linh hoạt,cụ thể :

 Công thức hóa học : Mg6Al2(CO3)(OH)16.4H2O

 Hệ tinh thể : Hệ sáu phương

 Một số hình ảnh về Hydrotalcite

Hydrotalcite rắn

Dạng tinh thể

Công thức cấu tạo: Mg6Al2(CO3)(OH)16.4H2O

II - Tổng quan về chất cần hấp phụ (PO 4 ) 3- :

A - Ý nghĩa môi trường của photphate:

- Trong tự nhiên photphate được xem là sản phẩm của quá trình lân hóa, thường gặp ở dang vết đối với nước thiên nhiên

- Khi hàm lượng photphate cao sẽ là một yếu tố giúp rong rêu phát triển mạnh, hiện tượng này có thể có nguồn gốc từ sự ô nhiễm nước sinh hoạt, nông nghiệp hoặc từ nước thải công nghiệp sản xuất bột giặt, chất tẩy rửa hay phân bón Do đó chỉ tiêu của photphate được ứng dụng trong việc kiểm soát mức độ ô nhiễm của dòng nước

- Việc xác định photphate rất cần thiết trong vận hành các trạm xử lý nước thải và trong nghiên cứu ô nhiễm dòng chảy của nhiều vùng vì hàm lượng photphate có thể coi như

là một chất dinh dưỡng trong xử lý nước thải Ngoài ra, hợp chất photphate còn được

sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, hơi nước để kiểm soát sự đóng cặn trong nồi hơi

B - Các cách xác đinh photphate:

1 Phương pháp khối lượng:

Có thể xác định gián tiếp ion phosphate nhờ phép chuẩn độ complexon bằng dung dịch magie sau khi kết tủa dưới dạng amoni phosphate ngậm 10 phân tử nước Khi xác định

vi lượng người ta hoà tan kết tủa trong dung dịch axit loãng, mạnh, xác lập đến giá trị

pH cần thiết và chuẩn độ trực tiếp magiê bằng dung dịch EDTA với ericrom T đen làm chỉ thị Trong trường hợp có mặt lượng lớn ion phosphate khi kiềm hoá dung dịch kết tủa lại lắng xuống một lần nữa do đó phải thêm dung dịch EDTA chuẩn vào dung dịch

phân tích có phản ứng axit, sau khi trung hoà và thêm hỗn hợp đệm người ta chuẩn bằng dung dịch magie

2 Phương pháp thể tích:

PO43- được xác định dựa trên hiện tượng khi có mặt muối amoni molypdate

(NH4)2MoO4 trong dung dịch NH3, ion PO43- tạo nên kết tuả màu vàng theo phản ứng:

H3PO4 + 12 (NH4)2MoO4 + 21 HNO3 = (NH4)3[P(Mo3O10)4] + 21NH4NO3 + 12 H2O

Hoà tan kết tủa amoni photpho molypđat đã rửa sạch hết axit bằng một lượng dư NaOH có nồng độ xác định

(NH4)3[P(Mo3O10)4] + 23NaOH = NaNH4HPO4 + (NH4)MoO4 + 11Na2MoO4 + 11H2O

Chuẩn độ lượng NaOH dư bằng dung dịch HCl có nồng độ xác định với chỉ thị phênolphtalein

3 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử xác định PO 4 3- :

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử đo P có thể sử dụng 3 loại phức màu:

molypđen xanh, vanadomolypdophosphoric, phosphomolypdat Những phương pháp

đo ngày càng tăng độ nhạy và trở nên phổ biến

Phương pháp trắc quang sử dụng molypđen xanh dựa vào phép đo màu xanh của heteropolyacid bằng phản ứng phosphate và molypdat được khử bằng axit ascorbic Cường độ màu, độ bền màu và ảnh hưởng bởi sự có mặt các nguyên tố khác phụ thuộc vào sự lựa chọn chất khử Phương pháp trắc quang dùng orthophosphate, vanadat, molypdat kết hợp trong dung dịch axit không nhạy bằng dùng xanh molyđen tuy nhiên lại chọn lọc hơn với P, các ion ngăn cản bị loại khỏi quá trình Phương pháp dùng để xác định P trong đá, khoáng, quặng sắt, thép cácbon, thép không rỉ, P trong đồng đỏ và đồng thau, thực vật và nhiều đối tượng khác

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

I - Cơ sở lý thuyết về phương pháp hấp phụ:

- Trong hoá học hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chât lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent), chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbate) và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ

- Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng gọi là nhiệt hấp phụ Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn

Có 2 quá trình hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

Hấp phụ vật lý:

- Là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Van Đơ Van, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán London

- Khi chất bị hấp phụ và chất hấp phụ tương tác với nhau bằng lực Van der Waals thì nhiệt

hấp phụ có giá trị thấp và chất bị hấp phụ dễ bị giải hấp phụ

Hấp phụ hoá học:

- Là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học

- Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, tương đương với lực liên kết hoá học Hấp phụ hóa học thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể

- Chất hấp phụ là chất có bề mặt thực hiện hấp phụ Chất hấp phụ thường ở dạng rắn

- Chất bị hấp phụ là chất bị hút, dính lên bề mặt của chất hấp phụ

- Lực liên kết trong quá trình hấp phụ có thể là lực hút tĩnh điện, lực định hướng, lực tán xạ, trong trường hợp lực đủ mạnh có thể gây ra liên kết hóa học hay tạo phức, trao đổi ion Theo thuyết Langmuir nguyên nhân của sự hấp phụ là:

 Sự có mặt những phần tử hóa trị không bão hòa trên bè mặt chất hấp phụ Khi hấpphụ do tác dụng lực hóa trị mà sinh ra liên kết hóa học

 Khoảng cách tác dụng của lực hóa trị rất ngắn không quá đường kính phân tử do đó chỉ hấp phụ một lớp

 Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ chứ không xảy ra trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ Hoạt tính chất hấp phụ phụ thuộc vào số lượng tâm hấp phụ

II- Cân bằng và đẳng nhiệt hấp phụ:

Trong hấp phụ chúng ta chú ý đến các đặc điểm sau:

- Khả năng hấp phụ của một chất hấp phụ cho biết khối lượng chất hấp phụ cần thiết phải

sử dụng hay thời gian hoạt động của sản phẩm thu được cho một chu kỳ hoạt động

- Tốc độ hấp phụ cho phép định lượng quy mô, độ lớn của thiết bị để đạt tới chất lượng của sản phẩm như mong muốn

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ:

 Bản chất của chất hấp phụ

 Nhiệt độ môi trường

 Áp suất

 Nồng độ chất hấp phụ, chất bị hấp phụ

 Thời gian tiếp xúc của các pha

Trong quá trình hấp phụ, khả năng hấp phụ của một chất rắn tăng lên khi nồng độ chất hấp phụ lớn lên (nhiệt độ không đổi) Ta xét hệ hai cấu tử, gọi khả năng hấp phụ của một chất là

qe , nồng độ chất hấp phụ là C , ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa là qe và C:

qe = f (C) (2.1)

Nếu gọi C0 và Ce là nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái ban đầu và trạng thái cân bằng;

V là thể tích dung dịch, m là khối lượng chất hấp phụ, thí nghiệm ở trạng thái tĩnh ta có thể xác định :

V m

C C

e

)( 0 

 (2.2)

Với đơn vị của q là: mg/g – mg chất hấp phụ/g chất bị hấp phụ

đơn vị của C là: mg/l – mg chất bị hấp phụ/l dung dịch

THUYẾT HÓA HỌC LANGMUIR

Xuất phát từ kinh nghiệm, hấp phụ Langmuir được định nghĩa như sau:

- x/m: Khối lượng chất bị hấp phụ trên 1 đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g)

- a,b : Hằng số kinh nghiệm

- Ce: Nồng độ chất bị hấp phụ ở trạng thái cân bằng (mg/l)

- Đẳng nhiêt Langmuir dựa trên một số giả thuyết sau (1918):

- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng

- Trên bề mặt chất rắn chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi vùng chỉ tiếp nhận một phần tử chất hấp phụ Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt chất rắn không tương tác với nhau

- Quá trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ có tốc độ bằng nhau khi đạt trạng thái cân bằng Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ nhả hấp phụ tỉ lệ thuận với các tâm đã bị hấp phụ chiếm chỗ

Tốc độ hấp phụ (ra ) và nhả hấp phụ (rd ) có thể tính bằng:

ra  (n  ni )  ka  Ce

Trong đó: n: là tổng số tâm

ni: là số tâm đã bị chiếm chỗ

Khi đa ̣t cân bằng ra = rd

Vì mỗi tâm chỉ chứa 1 phân tử bi ̣ hấp phu ̣ nên n được coi là nồng đô ̣ chất hấp phụ tối đa và

ni là nồng độ chất bị hấp phụ trong trạng thái cân bằng với Ce của chất hấp phụ Như vâ ̣y ta có:

Biểu thứ c trên đươ ̣c viết la ̣i thành

 Ce: Nồng độ cân bằng của chất hấp bị hấp phụ

Biểu thức trên được go ̣i là phương trinh langmiur được xây dựng cho hê ̣ hấp phu ̣ khí rắn

mô tả mối quan hê ̣ giữa q (dung lượng hấp phu ̣) và C( nồng đô ̣ chất bi ̣ hấp phu ̣ còn la ̣i)

b là phương trình langmui r biểu diễn mối quan hê ̣ giữa Ce và Ce/q và biểu thức này có dạng phương trình: y =ax + b (2.5)

Hê ̣ số a và b xác đi ̣nh được nhờ thực nghiê ̣m Đồng nhất các hệ số của 2 phương trình 2.4

và 2.5 ta đươ ̣c:

m m

PHƯƠNG TRÌNH ĐẲNG NHIỆT FREUNDLICH:

- Đường hấp phụ đẳng nhiệt theo phương trình Freundlich là một đường cong hấp phụ đẳng nhiệt dựa trên giả thiết bề mặt chất hấp phụ là không đồng nhất, nhiệt hấp phụ vi phân không thay đổi khi độ che phủ thay đổi và có sự tương tác lẫn nhau giữa các phân tử bị hấp phụ

- Freundlich cũng nhận thấy rằng, trong một khoảng nồng độ nhất định thì dung lượng hấp phụ tăng theo quy luật hàm mũ

Biểu thức phương trình: X 1n

K C

Hoặc : log( X ) log K 1 log C

- Tuy là một phương trình theo kinh nghiệm nhưng phương trình Freundlich được sử dụng

có hiệu quả để mô tả các số liệu cân bằng hấp phụ trong môi trường nước, đặc biệt là hệ than hoạt tính và chất hữu cơ