Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng HNO3và KMnO4 làm vật liệu xử lý một số chất ô nhiễm trong nước sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Huyền NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG HNO3 VÀ KMnO4 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƢỚC SINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Thị Huyền NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG HNO3 VÀ KMnO4 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƢỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Hóa Môi Trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội - 2016 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính cấu trúc bề mặt 1.1.1 Than hoạt tính 1.1.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính 1.2 Nhóm Cacbon-oxy bề mặt than hoạt tính 1.3 Ảnh hƣởng nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ 1.4 Biến tính bề mặt than 1.5 Tình trạng ô nhiễm amoni asen 10 1.5.1 Tình trạng ô nhiễm amoni 10 1.5.2 Tình trạng ô nhiễm asen 11 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 12 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn 12 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu: 12 2.1.2 Nội dung nghiên cứu: 12 2.2 Dụng cụ hóa chất 12 2.2.1 Dụng cụ: 12 2.2.2 Hóa chất: 13 2.2.2.1 Chuẩn bị hóa chất để tạo vật liệu mới: 13 2.2.2.2 Chuẩn bị hóa chất để phân tích hàm lƣợng amoni hấp phụ lên vật liệu 13 2.2.2.3 Chuẩn bị hóa chất để phân tích hàm lƣợng asen hấp phụ lên vật liêu 14 2.3 Các phƣơng pháp phân tích ion dung dich 15 2.3.1 Phân tích amoni phương pháp Nessler: 15 2.3.2 Phân tích Asen phương pháp thủy ngân brômua 17 2.4 Phƣơng pháp tính tải trọng hấp phụ 19 2.4.1 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 19 2.4.2.Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 21 2.5 Biến tính than hoạt tính 22 2.5.1 Chuẩn bị vật liệu hấp phụ từ than hoạt tính nguyên khai: 22 2.5.2 Biến tính than hoạt tính: 23 2.5.2.1 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-1(dạng axit) 23 2.5.2.2 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-2 (dạng muối Na) 23 2.5.2.3 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-3 (dạng axit) 23 2.5.2.4 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-4 (dạng muối Na) 23 2.5.3 Cấu trúc bề mặt vật liệu: 23 2.6 Khảo sát khả hấp phụ amoni asen vật liệu trên: 24 2.6.1 Khảo sát khả hấp phụ amoni than biến tính 24 2.6.1.1 Khảo sát thời gian hấp phụ cân amoni 24 2.6.1.2 Khảo sát ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ amoni 25 2.6.2 Khảo sát khả hấp phụ asen than biến tính 25 2.6.2.1 Khảo sát thời gian hấp phụ cân 25 2.6.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ asen 25 2.7 Khảo sát khả xử lý amoni than biến tính mô hình động 26 2.7.1 Khảo sát khả hấp phụ than biến tính với amoni 26 2.7.2 Nghiên cứu khả giải hấp tái sử dụng vật liệu 26 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Khảo sát khả hấp phụ amoni vật liệu 27 3.1.1 Xác định thời gian cân hấp phụ vật liệu 27 3.1.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ vật liệu 28 3.1.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu ion amoni: 29 3.2 Khảo sát khả xử lý amoni than biến tính mô hình động 32 3.2.1 Khảo sát khả hấp phụ than biến tính với amoni 32 3.2.2 Nghiên cứu khả giải hấp tái sử dụng vật liệu 33 3.3 Khảo sát khả hấp phụ asen vật liệu: 35 3.3.1 Xác định thời gian cân hấp phụ vật liệu: 35 3.3.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asenat lên vật liệu: 37 3.3.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu ion asenat 37 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 MỤC LỤC BẢNG Bảng : Chuẩn bị dãy dung dịch chuẩn amoni 16 Bảng 2: Độ hấp phụ quang dãy dung dịch chuẩn 17 Bảng 3: Chuẩn bị dãy dung dịch asen chuẩn 18 Bảng : Sự phụ thuộc chiều cao h vào nồng độ 19 Bảng :Kết khảo sát thời gian đạt hấp phụ cân amoni than biến tính 27 Hình : Biến thiên tải trọng hấp phụ amoni theo thời gian vật liệu 28 Bảng 7: Kết khảo sát tải trọng hấp phụ amoni bốn loại vật liệu 29 Bảng 8: Kết khảo sát khă hấp phụ amoni mô hình động 32 Bảng 9:Kết giải hấp nồng độ amoni 33 Bảng 10: Kết khảo sát tái sinh vật liệu hấp phụ amoni 34 Bảng 11: Kết khảo sát thời gian hấp phụ cân asen vật liệu: 36 Bảng 12 : Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen 37 Bảng13: Kết khảo sát tải trọng hấp phụ asen 37 MỤC LỤC HÌNH Hình:1 Đồ thị đường chuẩn phân tích amoni 17 Hình 2: Đồ thị đường chuẩn asen 19 Hình 3: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 20 Hình 4: Đồ thị dạng tuyến tính phương trình Langmuir 21 Hình 5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 22 Hình 6: Đồ thị dạng tuyến tính phương trình Freundlich 22 Hình 7: Phổ hồng ngoại than oxi hóa 24 Hình : Biến thiên tải trọng hấp phụ amoni theo thời gian vật liệu 28 Hình 9: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 30 Hinh 10 :Đồ thị phương trình langmuir AC-2 30 Hình 11: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 31 Hình12 :Đồ thị phương trình langmuir AC-4 31 Hình13: Sự phụ thuộc nồng độ amoni vào thể tích 33 Hình 14: Đồ thị phụ thuộc nồng độ vào thể tích 34 Hình 15: Sự phụ thuộc nồng độ amoni vào thể tích qua cột 35 Hình 16: Thời gian hấp phụ cân asen 36 Hình 17: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 38 Hình 18 : Đồ thị phương trình langmuir AC-2 39 Hình 19: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 39 Hình 20: Đồ thị phương trình langmuir AC-4 40 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Trần Hồng Côn giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ cho em kiến thức quí báu trình nghiên cứu Cảm ơn phòng thí nghiệm Khoa Hóa học – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ trình làm thực nghiệm Chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phòng thí nghiệm hóa môi trƣờng giúp đỡ trình tìm tài liệu hoàn thiện luận văn Để hoàn thành luận văn này, nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu thân, giúp đỡ ngƣời xung quanh, đặc biệt ngƣời thầy, đồng nghiệp đóng góp phần không nhỏ nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Phạm Thị Huyền Phạm Thị Huyền Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nƣớc nói chung nguồn nƣớc sinh hoạt nói riêng asen amoni vấn đề toàn xã hội quan tâm nhu cầu chất lƣợng sống ngày cao Theo nghiên cứu gần hàm lƣợng asen nhƣ amoni xác định đƣợc nguồn nƣớc vƣợt tiêu cho phép đến lần cao Điều ảnh hƣởng nghiêm trọng trực tiếp tới sức khoẻ ngƣời, độc hại asen amoni mang lại Chúng gây nhiều loại bệnh nguy hiểm nhƣ ung thƣ da, phổi Đây vấn đề đáng báo động đƣợc quan tâm đặc biệt Vì việc loại bỏ amoni asen khỏi nguồn nƣớc ăn uống sinh hoạt xuống dƣới ngƣỡng cho phép đƣợc nghiên cứu đạt đƣợc nhiều thành công đáng kể Song xu hƣớng nghiên cứu tìm phƣơng pháp hay cải tiến phƣơng pháp có đƣợc trọng khuyến khích thực Nhiều loại vật liệu đƣợc phát hiện, nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực này, than hoạt tính đƣợc đề cập nhƣ loại vật liệu tiềm Than hoạt tính từ lâu đƣợc sử dụng để làm nƣớc Tuy nhiên, ứng dụng xử lý nƣớc dừng lại việc loại bỏ hợp chất hữu số thành phần không phân cực có hàm lƣợng nhỏ nƣớc Với mục đích khai thác tiềm ứng dụng than hoạt tính việc xử lý nƣớc sinh hoạt, đặc biệt lĩnh vực loại bỏ cation anion nƣớc; chọn thực đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính HNO3 KMnO4 làm vật liệu xử lý số chất ô nhiễm nƣớc sinh hoạt” Phạm Thị Huyền Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính cấu trúc bề mặt 1.1.1 Than hoạt tính Than hoạt tính chất hấp phụ quí linh hoạt, đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nhƣ loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn tạp chất hữu cơ, vô nƣớc thải công nghiệp sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm không khí, kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp khí thải động cơ, làm nhiều hóa chất, dƣợc phẩm, sản phẩm thực phẩm nhiều ứng dụng pha khí Chúng đƣợc sử dụng ngày nhiều lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, kim loại khác, làm chất mang xúc tác Chúng đƣợc biết đến nhiều ứng dụng y học, đƣợc sử dụng để loại bỏ độc tố vi khuẩn số bệnh định Cacbon thành phần chủ yếu than hoạt tính với hàm lƣợng khoảng 85 – 95% Bên cạnh than hoạt tính chứa nguyên tố khác nhƣ hidro, nitơ, lƣu huỳnh oxi Các nguyên tử khác loại đƣợc tạo từ nguồn nguyên liệu ban đầu liên kết với cacbon suốt trình hoạt hóa trình khác Thành phần nguyên tố than hoạt tính thƣờng 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, – 7% O Tuy nhiên hàm lƣợng oxy than hoạt tính thay đổi từ 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm khoảng 800 đến 1500m2/g thể tích lỗ xốp từ 0.2 đến 0.6cm3/g Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu lỗ nhỏ có bán kính nhỏ 2nm 1.1.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính Than hoạt tính với xếp ngẫu nhiên vi tinh thể với liên kết ngang bền chúng, làm cho than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển Chúng có tỷ trọng tƣơng đối thấp (nhỏ 2g/cm3) mức độ graphit hóa thấp Cấu trúc bề mặt đƣợc tạo trình than hóa phát triển trình hoạt hóa, làm nhựa đƣờng chất chứa cacbon khác Phạm Thị Huyền Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng khoảng trống tinh thể Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích làm rộng đƣờng kính lỗ Cấu trúc lỗ phân bố cấu trúc lỗ chúng đƣợc định chủ yếu từ chất nguyên liệu ban đầu phƣơng pháp than hóa Sự hoạt hóa loại bỏ cacbon cấu trúc, làm lộ tinh thể dƣới hoạt động tác nhân hoạt hóa cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp Trong pha sau phản ứng, mở rộng lỗ tồn tạo thành lỗ lớn đốt cháy vách ngăn lỗ cạnh đƣợc diễn Điều làm cho lỗ trống có chức vận chuyển lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ Theo Dubinin Zaveria,2005, [6] than hoạt tính vi lỗ xốp đƣợc tạo mức độ đốt cháy (burn-off) nhỏ 50% than hoạt tính lỗ macro mức độ đốt cháy lớn 75% Khi mức độ đốt cháy khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất loại lỗ Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển thƣờng đƣợc đặc trƣng cấu trúc nhiều đƣờng mao dẫn phân tán, tạo nên từ lỗ với kích thƣớc hình dạng khác Ngƣời ta khó đƣa thông tin xác hình dạng lỗ xốp Có vài phƣơng pháp đƣợc sử dụng để xác định hình dạng lỗ, phƣơng pháp xác định than thƣờng có dạng mao dẫn mở hai đầu có đầu kín, thông thƣờng có dạng rãnh, dạng chữ V nhiều dạng khác Than hoạt tính có lỗ xốp từ nm đến vài nghìn nm Dubinin đề xuất cách phân loại lỗ xốp đƣợc IUPAC chấp nhận Sự phân loại dựa chiều rộng chúng, thể khoảng cách thành lỗ xốp hình rãnh bán kính lỗ dạng ống Các lỗ đƣợc chia thành nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung lỗ lớn Do đó, cấu trúc lỗ xốp than hoạt tính có loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung lỗ lớn Mỗi nhóm thể vai trò định trình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm diện tích bề mặt thể tích lớn đóng góp lớn vào khả hấp phụ than hoạt tính, miễn kích thƣớc phân tử chất bị hấp phụ không lớn để vào lỗ nhỏ Lỗ nhỏ đƣợc lấp đầy áp suất tƣơng đối thấp trƣớc bắt đầu ngƣng tụ mao quản Mặt khác, lỗ trung đƣợc lấp đầy áp suất tƣơng đối Phạm Thị Huyền Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 14 12 y = 0.094x + 3.815 R² = 0.889 CF/Q3 10 0 50 100 150 Cf Hình 11: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Q3max = 1/0,0948 = 10,549 mg/g y = 0.081x + 0.802 R² = 0.971 Cf/Q4 0 20 40 60 80 100 Cf Hình12 :Đồ thị phương trình langmuir AC-4 Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Q4max = 1/0,0811= 12,330 mg/g Từ hai đồ thị hình 10 hình 11 ta thấy, tƣơng tự nhƣ với Q1 vad Q2 Q4max có giá trị cao Q3max tải trọng Q3max Q4max lớn gần gấp hai lần Q1max Q2max, vật liệu AC-3 AC-4 đƣợc oxi hóa thêm dung dịch KMnO4, làm tăng số lƣợng nhóm cacboxyl bề mặt than, phân li tạo thành nhiều trung trung tâm hấp phụ Phạm Thị Huyền 31 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng Nhƣ vậy, qua khảo sát dung lƣợng hấp phụ amoni dƣới dạng NH4+ vật liệu AC-1, AC-2, AC-3, AC-4 cho thấy khả hấp phụ amoni vật liệu tăng dần từ AC-1 đến AC-4 AC-4 tốt (Q4max = 12.330 mg/g) Điều dự đoán bề mặt vật liệu AC-3 AC-4 có nhiều tâm hấp phụ mang điện tích âm kiểu ion cacboxylat bề mặt than đƣợc oxi hóa bề mặt sâu hai vật liệu AC-1 AC-2 Kết dung lƣợng hấp phụ cực đại AC-3, AC-4 cao gấp lần so với AC-1 AC-2 3.2 Khảo sát khả xử lý amoni than biến tính mô hình động 3.2.1 Khảo sát khả hấp phụ than biến tính với amoni Để khảo sát khả hấp phụ amoni mô hình động tiến hành thí nghiệm nhƣ trình bày mục 2.7.1 Kết khảo sát đƣợc thể bảng Bảng 8: Kết khảo sát khă hấp phụ amoni mô hình động Phân V Cf Phân đoạn (ml) (ppm) đoạn V (ml) Cf Phân V Cf Phân V Cf (ppm) đoạn (ml) (ppm) đoạn (ml) (ppm) 40 0,0198 21 840 0,443 41 1640 2,351 61 2440 4,055 80 0,0198 22 880 0,476 42 1680 2,365 62 2480 4,135 120 0,026 23 920 0,542 43 1720 2,391 63 2520 4,319 160 0,0330 24 960 0,674 44 1760 2,417 64 2560 4,406 200 0,053 25 1000 0,819 45 1800 2,470 65 2600 4,398 240 0,059 26 1040 0,958 46 1840 2,642 66 2640 4,438 280 0,079 27 1080 1,024 47 1880 2,701 67 2680 4,498 320 0,099 28 1120 1,169 48 1920 2,787 68 2720 4,729 360 0,119 29 1160 1,255 49 1960 2,879 69 2760 4,782 10 400 1,139 30 1200 1,427 50 2000 3,005 70 2800 4,848 11 440 0,145 31 1240 1,460 51 2040 3,078 71 2840 4,927 12 480 0,165 32 1280 1,513 52 2080 3,177 72 2880 4,987 13 520 0,185 33 1320 1,605 53 2120 3,322 73 2920 4,988 14 560 0,205 34 1360 1,691 54 2160 3,388 74 2960 4,993 15 600 0,225 35 1400 1,697 55 2200 3,461 75 3000 4,993 16 640 0,231 36 1440 1,724 56 2240 3,567 76 17 680 0,251 37 1480 1,849 57 2280 3,745 77 Phạm Thị Huyền 32 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 720 0,264 38 1520 2,074 57 2320 3,791 78 19 760 0,271 39 1560 2,206 59 2360 3,804 79 20 800 0,277 40 1600 2,279 60 2400 3,969 80 Cf( ml) 18 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 V(ml) Hình13: Sự phụ thuộc nồng độ amoni vào thể tích Từ đồ thị ta thấy sau 2000 ml nồng độ amoni xuất sau cột khoảng mg/L đáp ứng tiêu chuẩn amoni nƣớc cấp; nhƣ với cách xử lý cột gam than biến tính xử lý đƣợc 1000 ml nƣớc nhiễm amoni với mức độ mg/L 3.2.2 Nghiên cứu khả giải hấp tái sử dụng vật liệu Sau cột hấp phụ no amoni, rửa cột nƣớc cất (Vnƣớc= 15ml), để đẩy hết dung dịch amoni dƣ cột, sau tiến hành giải hấp dung dịch HCl 0,5M, với tốc độ chảy 1ml/phút, 40ml/ phân đoạn đem phân tích nồng độ amoni ta thu đƣợc kết bảng nhƣ sau: Bảng 9:Kết giải hấp nồng độ amoni Phân đoạn V(ml) Cf (ppm) 40 13,403 80 0,0023 Từ bảng số liệu ta có đồ thị sự thuộc nồng độ vao thể tích nhƣ sau: Phạm Thị Huyền 33 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng Nồng độ amoni (mg/L) 16 14 12 10 0 Số phân đoạn Hình 14: Đồ thị phụ thuộc nồng độ vào thể tích Nhƣ với dung dịch HCl 0,5 M amoni hấp phụ than đƣợc giải hấp nhanh gần nhƣ hoàm toàn sau phân đoạn 40 ml Khảo sát khả tái sinh vật liệu: Vật liệu sau hấp phụ no amoni đƣợc giả hấp dung dịch HCl đƣợc rửa nƣớc cất ( V= 1500ml) pH không đổi, sau cho dung dịch NH4+ 5mg/l chạy qua cột với tốc độ 1ml/phút Xác định nồng độ NH4+ đầu ra, ta thu đƣợc bảng số liệu nhƣ bảng 10 Bảng 10: Kết khảo sát tái sinh vật liệu hấp phụ amoni Phân V Cf Phân V đoạn (ml) (ppm) đoạn (ml) Cf(ppm) Phân V Cf đoạn (ml) (ppm) 40 0,0132 21 840 0,462 41 1640 3,164 80 0,0198 22 880 0,495 42 1680 3,243 120 0,0264 23 920 0,535 43 1720 3,388 160 0,0396 24 960 0,594 44 1760 3,527 200 0,0727 25 1000 0,641 45 1800 3,599 240 0,0859 26 1040 0,700 46 1840 3,672 280 0,099 27 1080 0,812 47 1880 3,824 320 0,122 28 1120 0,938 48 1920 3,969 360 0,159 29 1160 1,017 49 1960 4,055 10 400 0,185 30 1200 1,559 50 2000 4,260 11 440 0,211 31 1240 1,618 51 2040 4,406 12 480 0,238 32 1280 1,684 52 2080 4,544 Phạm Thị Huyền 34 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 13 520 0,251 33 1320 1,757 53 2120 4,631 14 560 0,277 34 1360 1,823 54 2160 4,756 15 600 0,297 35 1400 1,922 55 2200 4,782 16 640 0,317 36 1440 2,048 56 2240 4,960 17 680 0,337 37 1480 2,305 57 2280 4,987 18 720 0,350 38 1520 2,424 57 2320 4,988 19 760 0,369 39 1560 2,609 59 2360 4,98 20 800 0,383 40 1600 2,859 60 2400 4,99 , Cf(mg/l) 0 500 1000 1500 2000 2500 V(ml) Hình 15: Sự phụ thuộc nồng độ amoni vào thể tích qua cột Tính toán tƣơng tự nhƣ than sử dụng lần đầu, tổng thể tích nƣớc đƣợc xử lý an toàn amoni 1600 ml Nhƣ số bed volume xử lý đƣợc khoảng 550 khả tích lũy amoni than tái sinh lần 3,652 mg/g Từ đồ thị ta thấy than biến tính có khả tái sinh tốt, khả xử lý amoni than sau tái sinh gần tƣơng đƣơng với than biến tính trƣớc tái sinh Nhƣ vậy, than biến tính qua trao đổi ion với amoni tái sinh tốt cách cho dung dịch HCl 0,5M chạy qua cột Sau rửa lại nƣớc cất, than sau tái sinh có tải trọng trao đổi ion gần nhƣ than biến tính ban đầu 3.3 Khảo sát khả hấp phụ asen vật liệu: 3.3.1 Xác định thời gian cân hấp phụ vật liệu: Để xác định thời gian đạt cân hấp phụ asen vật liệu, tiến hành thí nghiệm nhƣ trình bày mục 2.6.2.1 loại vật liệu; nhƣng Phạm Thị Huyền 35 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng pH môi trƣờng không đƣợc điều chỉnh mà để giá trị Kết khảo sát đƣợc thể bảng 11 Bảng 11: Kết khảo sát thời gian hấp phụ cân asen vật liệu: Thời gian Cf (ppm) Co Q(mg/g) (ppm) AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 1 1 0 0 1 0,734 0,790 0,690 0,594 0,063 0,065 0,055 0,061 0,368 0,352 0,449 0,390 0,061 0,065 0,063 0,062 0,352 0,338 0,368 0,375 0,067 0,066 0,061 0,066 0,320 0,336 0,375 0,321 0,068 0,066 0,062 0,067 (giờ) 0.08 0.07 Q (mg/g) 0.06 0.05 Q1 0.04 Q2 0.03 Q3 Q4 0.02 0.01 0 Thời gian ( giờ) Hình 16: Thời gian hấp phụ cân asen Từ số liệu thu đƣợc ta thấy thời gian hấp phụ cân asen vật liệu AC1, AC-2 vầ AC-3 giờ, AC-4 giờ, khả hấp phụ asen vật liệu tƣơng đối gần Phạm Thị Huyền 36 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 3.3.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asenat lên vật liệu: Khảo sát ảnh hƣởng pH đến khả hấp phụ vật liệu đƣợc tiến hành nhƣ trình bày mục 2.6.2.2, nhƣng thời tiếp xúc hai pha: AC-1, AC-2, AC-4 giờ,AC-3 để bảo đảm hấp phụ đạt cân Các kết thu đƣợc đƣợc thể bảng 12 Bảng 12 : Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen STT PH Cf (ppm) Co Q ( mg/g) (ppm) AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 0,842 0,824 0,846 0,825 0,016 0,018 0,015 0,018 0,791 0,819 0,862 0,829 0,021 0,018 0,014 0,017 0,724 0,735 0,708 0,753 0,028 0,027 0,029 0,025 0,751 0,786 0,883 0,830 0,025 0,021 0,011 0,017 0,746 0,921 0,981 0,877 0,026 0,008 0,002 0,012 Từ bảng số liệu thu đƣợc ta thấy pH= khả than biến tính hấp phụ ion asenat tốt Từ số liệu thu đƣợc ta nhận thấy điều kiện tối ƣu để hấp phụ amoni lên than hoạt tính biến tính là: - Vật liệu AC-1: Thời gian cân giờ, pH tối ƣu - Vật liệu AC-2: Thời gian cân giờ, pH tối ƣu - Vật liệu AC-3: Thời gian cân giờ, pH tối ƣu - Vật liệu AC-4: Thời gian cân giờ, pH tối ƣu 3.3.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu ion asenat Cân xác 1.00 g than biến tính vật liệu , cho vào bính tam giác cỡ 250 ml ,hút chân không phút sau thêm 100 ml dung dịch asen, PH=6 có nồng độ khác nhau: 10, 30, 50, 70, 90, 110, 130, lắc máy lắc khoảng thời gian hấp phụ cân loại vật liệu (AC-1, AC-2 vầ AC-4 giờ, AC-3 giờ) sau lấy dung dịch phân tích thu đƣợc bảng số liệu sau: Bảng13: Kết khảo sát tải trọng hấp phụ asen Phạm Thị Huyền 37 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng Co ( ppm) Cf (ppm) AC-1 AC-2 Q (mg/g) AC-3 AC-4 AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 10 1,020 1,090 1,890 1,780 0,898 0,898 0,811 0,822 30 5,000 7,120 8,240 5,260 2,500 2,288 2,176 1,474 50 12,000 15,340 16,470 21,120 3,800 3,466 3,353 2,888 70 21,120 27,670 30,000 39,680 4,888 4,233 4,000 3,032 90 37,000 46,56 48,48 59,23 5,300 4,344 4,152 3,077 110 59,000 65,23 67,23 78,56 5,100 4,477 4,277 3,144 Từ bảng số liệu ta có đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đồ thị phƣơng trình langmuir vật liệu trên: 14 y = 0.175x + 0.915 R² = 0.994 12 Cf/Q1 10 0 10 20 30 40 50 60 70 Cf Hình 17: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Q1max = 1/0,1752 = 5,708 mg/g Phạm Thị Huyền 38 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 16 y = 0.203x + 1.244 R² = 0.997 14 Cf/Q2 12 10 0 10 20 30 40 50 60 70 Cf Hình 18 : Đồ thị phương trình langmuir AC-2 Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Q2max = 1/0,2032= 4,9184 mg/g Từ hai đồ thị bảng số liệu thu đƣợc ta thấy Q1max lớn Q2max, bề mặt hai loại vật liệu AC-1 AC-2 đƣợc oxi hóa HNO3 tạo thành nhóm axít yếu AC-1, AC-2 tạo thành nhóm muối, phân ly tạo thành nhiều trung tâm hấp phụ âm, ƣu tiên cho việc hấp phụ dƣơng hơn, Q1max nhỏ Q2max 20 y = 0.204x + 1.796 R² = 0.997 Cf/Q3 15 10 0 20 40 60 80 Cf Hình 19: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Q3max = 1/0,204 = 4,902mg/g Phạm Thị Huyền 39 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 30 y = 0.296x + 1.574 R² = 0.998 25 Cf/Q4 20 15 10 0 20 40 60 80 100 Cf Hình 20: Đồ thị phương trình langmuir AC-4 Từ đồ thị cho thấy ta xác định tải trọng hấp phụ cực đại : Q4max = 1/0,2963 = 3,375 mg/g Qua khảo sát dung lƣợng hấp phụ ion asenat vật liệu cho thấy khả hấp phụ As vật liệu nhƣ sau: Vật liệu Qmax AC-1 5.708 AC-2 4.918 AC-3 4.902 AC-4 3.375 Nhƣ than bị oxi hóa bề mặt tạo thành nhóm cacboxylic, oxi hóa sâu nhóm cacboxylic nhiều, tiến hành rửa kiềm nhóm cacboxylic chuyền thành dạng muối cacboxylat bề mặt than, nhóm muối khả phân ly tốt nhóm axit , muối dễ tan tạo bề mặt âm, ƣu tiên hấp phụ dƣơng hơn, AC-1 hấp phụ asen dƣới dạng ion asenat tốt nhât so với vật liệu đƣợc oxi hóa sâu sắc chuyển sang dạng muối natri nhóm axit cacboxylic Phạm Thị Huyền 40 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng KẾT LUẬN Sau trình làm luận văn, rút số kết luận khả biến tính than hoạt tính làm vật liệu xử lý amoni asen nƣớc nhƣ sau : Đã tiến hành nghiên cứu biến tính than hoạt tính HNO3 M KMnO4 1N, oxi hóa bề mặt than hoạt tính để tăng tính ƣa nƣớc chuyển nhóm chức -COH, -COH, -CO thành nhóm –COOH Từ than sau oxi hóa, loại vật liệu đƣợc chế tạo hai vật liệu than hoạt tính oxi hóa HNO3 để nguyên dạng axit chuyển dạng thành muối natri (AC-1 AC-2); hai vật liệu than hoạt tính sau oxi hóa HNO3 tiếp tục oxi hóa thêm KMnO4 để nguyên dạng axit chuyển thành dạng muối natri (AC-3 AC-4) Đã tiến hành khảo sát khả hấp phụ amoni (cation) với vật liệu than biến tính Kết cho thấy khả hấp phụ cao tăng dần từ vật liệu AC-1 đến AC-4, kết thu đƣợc than đƣợc oxi hóa tạo bề mặt nhóm axít yếu (COOH) vật liệu AC-1 AC-3, AC-2 AC4 tạo bề mặt muối( COONa) khả phân ly muối(COONa) tốt khả phân ly nhóm axít yếu AC-2 tạo nhiều trung tâm hấp phụ âm AC-1, AC-4 nhiều AC-3 Và vật liệu AC-1 , AC-2 đƣợc oxi hóa HNO3 oxi hóa bề mặt than hơn, AC-3, AC-4 vừa đƣợc oxi hóa HNO3 KMnO4 , oxi hóa bề mặt than tốt hơn, tạo nhiều trung tâm hấp phụ AC-1 AC-2 Đã tiến hành khảo sát khả hấp phụ anion asenat, vật liệu cho khả hấp phụ so với ion amoni giảm dần từ vật liệu AC-1 đến AC-4 Đây than than vừa đƣợc oxi hóa HNO3 KMnO4 tạo nhiều nhiều trung tâm hấp phụ bề mặt than, nhiên trung tâm hấp phụ trung tâm hấp phụ âm, ƣu tiên cho hấp phụ dƣơng nên ion asenat tải trọng hấp phụ giảm dần từ Q1 đến Q4 Phạm Thị Huyền 41 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng Bƣớc đầu khảo sát đánh giá khả xử lý amoni vật liệu kỹ thuật hấp phụ cột với mẫu nhân tạo Đã tiến hành khảo sát khả tái sinh vật liệu than hấp phụ amoni tốt Vật liệu tái sinh lần đầu đạt hiệu suất 85% Phạm Thị Huyền 42 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Vũ Ngọc Ban(2007), Giáo trình thực tập Hóa lí, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà nội, Hà Nội Phạm Nguyên Chƣơng(chủ biên)( 2002), Hóa Kỹ Thuật, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế(2004), Hóa lí Tập hai Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Nguyễn Đình Triệu(1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội Vũ Xuân Thiều(2012),‘’Hiện trạng ô nhiễm asen nƣớc ngầm Hà Nội’’, Trung tâm quy hoạch điều tra tài nguyên quốc gia, Bộ Môi trường tài nguyên Tài liệu tiếng Anh Bansal R.C , Goyal M.(2005), “Activated Carbon Adsorption”, Taylor & Francis Group,USA Biniak S.(1997), “The characterization of activated carbons with oxygen and nitrogen surface groups”, Carbon, Vol 35(12), pp.1799-1810 Cerovic Lj.S et al(2007), “Point of zero charge of different carbides”, Colloids and surfaces A, 297, pp.1 – Chen J P et al(2003), ”Surface modification of a granular activated carbon by citric acid for enhancement of copper adsorption”, Carbon,41, pp 1979–1986 10 Chingombe P., Saha B., Wakeman R.J (2005), “Surface modification and characterisation of a coal-based activated carbon”, Carbon, 43, pp 3132–3143 11 Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., Freitas M.M.A., Orfao J.J.M.( 1999), ”Modification of the surface chemistry of activated carbons”, Carbon, 37, pp.1379–1389 Phạm Thị Huyền 43 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 12 Li Y.H., Lee C.W., Gullett B.K.( 2003), “Importance of activated carbon’s oxygen surface functional groups on elemental mercury adsorption”, Fuel, 82, pp 451–457 13 Liu S.X., Chen X., Chen X.Y., Liu Z.F., Wang H.L.( 2007), “Activated carbon with excellent chromium(VI) adsorption performance prepared by acid– base surface modification”, Journal of Hazardous Materials, 141, pp 315–319 14 Marsh Harry, Rodriguez-Reinoso Francisco(2006), “Activated Carbon”, Elsevier, Spain 15 Matsumoto Masafumi et al(l994), “Surface modification of carbon whiskers by oxidation treatment”, Carbon, Vol 32 (I), pp 111-118 16 Mei S.X., et al(2008), “Effect of surface modification of activated carbon on its adsorption capacity for NH3”, J China Univ Mining & Technol, (18), pp 0261–0265 17 Moreno C (2000), “Changes in surface chemistry of activated carbons by wet oxidation”, Carbon, 38, pp 1995–2001 Phạm Thị Huyền 44 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng Phạm Thị Huyền 45 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng [...]... khai: - Vật liệu nghiên cứu là than hoạt tính từ gáo dừa do Công ty Cổ phần Trà Bắc sản xuất - Than hoạt tính đã đƣợc nghiền lấy cỡ hạt từ 0,5 - 1 mm đem rửa sạch nhiều lần bằng nƣớc cất đến pH trung tính7 -8), sau đó sấy khô, để nguội Phạm Thị Huyền 22 Cao Học K24 – Hóa Môi Trƣờng 2.5.2 Biến tính than hoạt tính: 2.5.2.1 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-1(dạng axit) Ngâm 0,125 kg than hoạt tính trong. .. mặt than với các khí hoặc các dung dịch oxy hóa Nhóm chức bề mặt cacbon – hydro tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với khí hydro ở nhiệt độ cao Nhóm chức cacbon – lƣu huỳnh bằng quá trình xử lý than hoạt tính với lƣu huỳnh nguyên tố, CS2, H2S, SO2 Cacbon – nitơ trong quá trình xử lý than hoạt tính với amoniac Cacbon – halogen đƣợc tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với halogen trong. .. than hoạt tính từ bản chất bề mặt không phân cực thành bề mặt phân cực, có khả năng hấp phụ các ion amoni và asenat trong nƣớc - Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ asen và amoni trong nƣớc và định hƣớng ứng dụng trong xử lý asen và amoni trong nƣớc cấp sinh hoạt 2.1.2 Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng quá trình oxi hóa sử dụng dung dịch HNO3 và KMnO4 - Đánh giá khả năng... ) trong các khoảng thời gian 6h, sau đó rửa than bằng nƣớc cất đến pH không đổi ( PH = 4-5), sau đó đem sấy khô đƣợc vật liệu 1 gọi là AC-1 2.5.2.2 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-2 (dạng muối Na) Ngâm 0,125 kg than hoạt tính trong dung dịch HNO3 3M ( V= 500 ml ) trong các khoảng thời gian 6h, sau đó rửa than bằng nƣớc cất đến pH không đổi ( pH = 7-8), sau đó đem sấy khô , sau đó cho trung hòa bằng. .. rửa bằng nƣớc đến khi pH không đổi ( pH= 7-8) thì dừng lại , đem sấy khô đƣợc vật liệu 2 gọi là AC-2 2.5.2.3 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-3 (dạng axit) Ngâm 0,125 kg than hoạt tính trong dung dịch HNO3 3M ( V= 500 ml ) trong các khoảng thời gian 6h, sau đó rửa than bằng nƣớc cất đến pH không đổi ( pH = 4-5), sau đó đem sấy khô, tiếp tục cho than và ngâm trong thuốc tím KMnO 4 nồng độ 1N trong. .. tỏ rằng trong quá trình rửa than chúng tôi đã loại bỏ đƣợc hoàn toàn lƣợng axit dƣ sau khi biến tính Trong than hoạt tính bình thƣờng ta thấy không có các số sóng nhƣ trên nên trên bề mặt than hoạt tính không tồn tại nhóm chức –COOH 2.6 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni và asen của 4 vật liệu trên: 2.6.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni bằng than biến tính 2.6.1.1 Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng amoni... 3M vào ngâm sau đó rửa bằng nƣớc đến khi hết Cl- ( thử bằng AgNO3) sau đó đem sấy khô đƣợc vật liệu 3 gọi là AC-3 2.5.2.4 Chế tạo vật liệu than hoạt tính AC-4 (dạng muối Na) Ngâm 0,125 kg than hoạt tính trong dung dịch HNO3 3M ( V= 500 ml ) trong các khoảng thời gian 6h, sau đó rửa than bằng nƣớc cất đến pH không đổi ( pH = 7-8), sau đó đem sấy khô, tiếp tục cho than và ngâm trong thuốc tím KMnO 4... vào chất nền là nhựa và sau đó là đặc điểm vật liệu composite Theo Kipling, các nguyên tử oxy và hydro là những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, và bề mặt của vật liệu này đƣợc nghiên cứu nhƣ một bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy Mặc dù việc xác định số lƣợng và bản chất của các nhóm hóa học bề mặt này bắt đầu từ hơn 50 năm trƣớc, bản chất. .. nhóm oxi axit làm giảm đi sự hấp phụ phenol, nhƣng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm tăng cƣờng khả năng hấp phụ 1.4 Biến tính bề mặt than Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể đƣợc thực hiện bằng sự tạo thành... K24 – Hóa Môi Trƣờng phụ, nên ngƣời ta hi vọng khi biến tính than hoạt tính sẽ thay đổi đặc trƣng hấp phụ và tƣơng tác hấp phụ của các than hoạt tính này Thêm vào đó, sự biến tính bề mặt than cũng đƣợc thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại lên bề mặt Ảnh hƣởng của các nhóm chức bề mặt oxy – cacbon lên đặc trƣng và tính chất bề mặt đã đƣợc thảo luận ở 1.3 1.5 Tình trạng ô nhiễm amoni