tóm tắt Nghiên cứu tách silic đioxit (SiO₂) từ vỏ trấu và ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion Cu₂+, Zn₂+ trong môi trường nước

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO §¹i häc ®µ n½ng BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU TÁCH SILIC ĐIOXIT (SiO2) TỪ VỎ TRẤU VÀ ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION Cu2+, Zn2+ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Mã số: Đ2011-03-20 Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê Tự Hải §µ N½ng, 12/2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Với phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp, việc sử dụng ngày nhiều loại hoá chất, thuốc trừ sâu, phân bón, … làm cho nguồn nước bị ô nhiễm, tác động không nhỏ đến môi trường sinh thái sức khoẻ người, ô nhiễm độc tố kim loại nặng số hợp chất hữu nhóm phenol, chất màu,… nguy hiểm Do đó, nghiên cứu tách ion kim loại nặng độc hại từ nguồn nước bị ô nhiễm vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Đã có nhiều phương pháp sử dụng phương pháp sinh học, kết tủa hóa học, lọc màng, hấp phụ,… Mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm khác Trong đó, phương pháp hấp phụ tỏ có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi ưu điểm xử lý nhanh, dễ chế tạo thiết bị đặc biệt tái sử dụng vật liệu hấp phụ Trong phương pháp hấp phụ vật liệu khoáng sét hay vật liệu biến tính từ phế phẩm nông nghiệp (Biomass) tro trấu, sơ dừa, vỏ lạc, bã mía, vỏ sắn,… xem loại vật liệu hấp phụ có nhiều triển vọng Nước ta nước nông nghiệp với ngành nghề truyền thống chuyên canh lúa nước Sản lượng lúa nước ta đứng thứ năm giới xuất gạo đứng thứ hai giới (đứng sau Thái Lan) Trong thành phần hạt lúa, vỏ trấu chiếm khoảng 20% khối lượng Vì vậy, năm ngành nông nghiệp nước ta thải hàng triệu vỏ trấu Lượng vỏ trấu thải vào môi trường chưa sử dụng cách có hiệu nên gây ô nhiễm môi trường nặng Nhiều dòng sông kênh đồng Nam Bộ bị tắc lượng trấu thải từ nhà máy xay xát lúa gạo Vì vậy, số nhà khoa học tập trung nghiên cứu chế biến vỏ trấu thành sản phẩm có ích ép vỏ trấu thành củi đốt Tuy nhiên, giá thành chế biến cao nên củi đốt từ trấu chưa phát triển quy mô lớn Ngoài ra, theo số tài liệu khảo sát sơ nhận thấy trấu có chứa lượng lớn SiO2 với cấu trúc xốp nên sử dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng nước Như vậy, việc nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng nước có ý nghĩa thực tiễn việc sử dụng cách có hiệu nguồn vỏ trấu khổng lồ, giảm thiểu khả gây ô nhiễm môi trường; đồng thời tạo loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền từ nguồn nguyên liệu phế thải lúa MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Tìm điều kiện tối ưu cho trình tách silic đioxit từ vỏ trấu xây dựng quy trình tách SiO2 từ vỏ trấu với hiệu suất cao - Sử dụng SiO2 tách từ vỏ trấu làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+, Zn2+ nước ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu: - Vỏ trấu nhà máy xay xát lúa Footer Page of 126 Header Page of 126 - Dung dịch Cu2+, Zn2+ 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu ứng dụng SiO2 để hấp phụ ion Zn2+, Cu2+ phòng thí nghiệm NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4.1 Xác định thành phần số đặc tính hóa lý vỏ trấu, tro trấu - Xác định thành phần vỏ trấu - Xác định độ ẩm vỏ trấu - Xác định thành phần đặc tính hóa lý tro trấu - Xác định thành phần tro trấu - Xác định hàm lượng tro trấu 4.2 Tách SiO2 từ vỏ trấu - Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu - Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu - Ảnh hưởng thời gian nung đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu - Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu - Xác định độ tinh khiết số đặc tính hóa lý silic đioxit 4.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ bể ion Cu2+, Zn2+ SiO2 - Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình hấp phụ - Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ - Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ - Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+, Zn2+ đến trình hấp phụ 4.4 Nghiên cứu trình hấp phụ cột ion Cu2+, Zn2+ 4.5 Nghiên cứu trình tái hấp phụ vật liệu SiO2 4.6 Viết báo cáo nghiệm thu đề tài PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU + Xác định thành phần nguyên tố độ ẩm vỏ trấu + Xác định thành phần nguyên tố hàm lượng tro tro trấu + Tách silic đioxit từ vỏ trấu, xác định độ tinh khiết nghiên cứu đặc tính hóa lý nó: Nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng ngoại (IR), chụp ảnh SEM để khảo sát hình thái kích thước siO2, đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) + Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ, ion Zn2+, Cu2+ silic đioxit phương pháp AAS Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Ý nghĩa khoa học - Cung cấp thông tin khoa học nghiên cứu thành phần hóa học vỏ trấu - Cung cấp thông tin khoa học nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu - Cung cấp thông tin ứng dụng SiO2 làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+, Zn2+ dung dịch nước Footer Page of 126 Header Page of 126 6.2 Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài có ý nghĩa thực tiễn việc điều chế vật liệu hấp phụ từ nguồn nguyên liệu phế phẩm ngành nông nghiệp (Biomass) để ứng dụng xử lý ô nhiễm ion kim loại nặng nước - Kết nghiên cứu đề tài có ý nghĩa thực tiễn việc sử dụng cách có hiệu nguồn vỏ trấu khổng lồ, giảm thiểu gây ô nhiễm môi trường; đồng thời tạo loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền từ nguồn nguyên liệu phế thải lúa - Kết đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học ngành Hóa học CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Chương trình bày: - Tổng quan lúa - Tổng quan vỏ trấu ứng dụng vỏ trấu - Tổng quan SiO2: Tính chất, điều chế, ứng dụng - Tổng quan ô nhiễm kim loại Cu2+, Zn2+ - Tổng quan phương pháp xử lý kim loại nặng nước - Tổng quan lý thuyết hấp phụ CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 DỤNG CỤ, HÓA CHẤT VÀ MÁY MÓC 2.1.1 Dụng cụ: Cốc (250ml 500ml), phểu lọc, pipet, buret, đũa thủy tinh, giấy lọc, chén nung, bình định mức (250ml 500ml), bình tam giác, cối, chày đồng, rây đường kính 0,1 mm 2.1.2 Hóa chất : Vỏ trấu lấy Hương Trà – Thừa Thiên Huế, dung dịch H2SO4 98% (d = 1,84 g/ml), NaOH rắn, dung dịch HCl 36% (d = 1,18 g/ml), CuSO4, ZnSO4, nước cất 2.1.3 Máy móc : Máy đo pH, máy khuấy từ, tủ sấy, lò nung, máy điều nhiệt, cân phân tích, máy đo AAS, máy đo BET, máy đo phổ hồng ngoại (IR), phổ nhiễu xạ (XRD)… 2.2 Pha chế hóa chất 2.2.1 Pha chế dung dịch NaOH 2.2.2 Pha chế dung dịch HCl 2.2.3 Pha chế dung dịch Cu2+ 2.2.4 Pha chế dung dịch Zn2+ 2.3 Xác định thành phần số đặc tính hóa lý vỏ trấu, tro trấu 2.3.1 Xác định thành phần đặc tính hóa lý vỏ trấu 2.3.1.1 Xác định thành phần vỏ trấu 2.3.1.2 Xác định độ ẩm vỏ trấu 2.3.2 Xác định thành phần đặc tính hóa lý tro trấu 2.3.2.1 Xác định thành phần tro trấu Footer Page of 126 Header Page of 126 2.3.2.2 Xác định hàm lượng tro trấu 2.4 Tách silic đioxxit từ vỏ trấu 2.4.1 Quy trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Vỏ trấu SiO2 1/ Rửa sạch, phơi khô 2/ Đốt 3/ Nung 8000C 1/ Sấy 1000C 2/ Nung 5500C SiO2.nH2O Tro trấu 1/ Thêm dung dịch NaOH 2/ Đun nóng 3/ Lọc Rửa nước cất Hỗn hợp dạng gel Thêm dung dịch HCl 3M Dung dịch Hình 2.1 Sơ đồ tách silic đioxit từ vỏ trấu 2.4.2 Ảnh hưởng yếu tố đến trình tách silic đioxit (SiO2) từ vỏ trấu 2.4.2.1 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu 2.4.2.2 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu 2.4.2.3 Ảnh hưởng thời gian nung đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu 2.4.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu 2.4.3 Xác định độ tinh khiết số đặc tính hóa lý silic đioxit 2.4.3.1 Xác định độ tinh khiết silic đioxit 2.4.3.2 Xác định số đặc tính hóa lý silic đioxit a) Đo phổ hồng ngoại (IR) b) Chụp ảnh SEM c) Đo XRD d) Đo BET 2.5 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ Tính hiệu suất hấp phụ H(%) theo công thức sau: H= Ci − C f Ci × 100% (2.1) Tải trọng hấp phụ lượng chất bị hấp phụ gam chất hấp phụ rắn Tính tải trọng hấp phụ theo công thức sau: q= (C i − C f )V (2.2) m Trong đó: q tải trọng hấp phụ (mg/g) H hiệu suất hấp phụ (%) Ci nồng độ dung dịch trước hấp phụ (mg/l) Cf nồng độ dung dịch sau hấp phụ (mg/l) V thể tích dung dịch đem hấp phụ (l) Footer Page of 126 Header Page of 126 m khối lượng chất hấp phụ (g) Phương trình đẳng nhiệt có dạng : q = qmax b.C f + b.C f (2.3) Trong đó: q tải trọng hấp phụ thời điểm cân q max tải trọng hấp phụ cực đại b số đặc trưng cho lượng tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ 2.6 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ cột Cu2+ Zn2+ 2.7 Nghiên cứu trình tái hấp phụ vật liệu SiO2 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 ĐỊA ĐIỂM LẤY MẪU Vỏ trấu lấy nhà máy xat xát lúa thuộc Huyện Hương Trà – Thừa Thiên Huế Hình 3.1 Cánh đồng lúa Hương Trà – Thừa Thiên Huế 3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA VỎ TRẤU VÀ TRO TRẤU 3.2.1 Kết xác định thành phần đặc tính hóa lý vỏ trấu 3.2.1.1 Kết xác định thành phần vỏ trấu Hình 3.2 Vỏ trấu Footer Page of 126 Header Page of 126 Vỏ trấu rửa sạch, phơi khô xác định thành phần phương pháp phân tích EDX máy PYC 406/11 Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Kết xác định thành phần nguyên tố vỏ trấu trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Kết xác định thành phần nguyên tố vỏ trấu Nguyên tố Phần trăm khối lượng (%) C 34,82 O 51,51 H 3,34 Na 0,06 Mg 0,13 Si 9,20 S 0,09 Cl 0,22 K 0,26 Ca 0,12 Mn 0,11 Al 0,14 Như vậy, vỏ trấu hàm lượng nguyên tố cacbon, oxi, hiđro silic tương đối lớn; hàm lượng nguyên tố khác không đáng kể Hàm lượng nguyên tố cacbon, oxi hiđro cao điều chứng tỏ vỏ trấu chủ yếu chứa chất hữu (xenlulozơ lignin) Hàm lượng nguyên tố silic tương đối cao chiếm 9,20% (tương ứng với 19,71% SiO ) Hàm lượng silic đioxit vỏ trấu cao nên thuận lợi cho trình tách SiO từ vỏ trấu 3.2.1.2 Kết xác định độ ẩm vỏ trấu Sấy mẫu nhiệt độ 100°C tủ sấy khối lượng không đổi (khoảng giờ) Kết thí nghiệm trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Kết xác định độ ẩm vỏ trấu Mẫu m1 (gam) m2 (gam) m3 (gam) N (%) Footer Page of 126 34,77 35,77 35,67 10,80 32,88 34,40 34,25 10,79 35,79 37,79 37,60 10,50 33,09 35,59 35,35 10,60 Header Page of 126 35,79 38,79 38,50 10,68 Trong đó: m1 khối lượng chén (gam) m2 khối lượng chén vỏ trấu trước sấy (gam) m3 khối lượng chén vỏ trấu sau sấy (gam) N hàm lượng nước hút ẩm (%) 3.2.2 Kết xác định thành phần đặc tính hóa lý tro trấu 3.2.2.1 Kết xác định hàm lượng tro trấu Nung mẫu nhiệt độ 800°C lò nung khối lượng không đổi (khoảng giờ) Kết thí nghiệm trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết xác định hàm lượng tro trấu Mẫu m1 (gam) m2 (gam) m3 (gam) Hàm lượng tro (%) 87,76 89,76 87,98 10,85 86,91 89,92 87,24 10,80 89,13 93,13 89,57 10,88 87,27 92,27 87,82 10,92 88,10 94,10 88,76 10,93 Trong đó: m1 khối lượng chén (gam) m2 khối lượng chén vỏ trấu trước nung (gam) m3 khối lượng chén tro trấu sau nung (gam) Nhận xét: Hàm lượng tro trung bình tính sau: (10,85 + 10,80 + 10,88 + 10,92 + 10,93) : = 10,88 (%) 3.2.2.2 Kết xác định thành phần tro trấu Hình 3.3 Tro trấu Footer Page of 126 Header Page of 126 Lấy vỏ trấu rửa sạch, phơi khô đem đốt cháy nung 8000C thu tro trấu Đem tro trấu xác định thành phần phương pháp phân tích EDX máy PYC 406/11 Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Kết xác định thành phần tro trấu trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Kết xác định thành phần tro trấu Nguyên tố Phần trăm khối lượng (%) C 1,60 O 48,69 Na 0,17 Mg 0,31 Si 45,30 S 0,05 Cl 0,19 K 2,32 Ca 0,67 Mn 0,38 Al 0,32 Từ bảng 3.3 ta thấy rằng: Trong tro trấu, hàm lượng nguyên tố silic oxi chiếm cao, hàm lượng nguyên tố lại không đáng kể Hàm lượng nguyên tố silic oxi cao điều chứng tỏ tro trấu chủ yếu chứa silic đioxit (khoảng 97,07% SiO ) 3.3 TÁCH SILIC ĐIOXIT TỪ VỎ TRẤU 3.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu 3.3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Để nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu, tiến hành quy trình trình bày hình 2.1 Tiến hành phản ứng với 5,0 gam tro trấu 100 ml dung dịch NaOH có nồng thay đổi: 2,0M, 2,5M, 3,0M, 3,5M, 4,0M, 4,5M, 5,0M, 5,5M, 6,0M 1000C, thời gian nung 3,5 Kết thu trình bày hình 3.4 Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Khối lượng silic đioxit (gam) 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Nồng độ NaOH (mol/l) Hình 3.4 Ảnh hưởng nồng độ NaOH đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu Hình 3.4 cho thấy, tăng nồng độ NaOH (từ 2,0M đến 5,0M) khối lượng SiO2 thu tăng lên nhanh; nồng độ NaOH từ 5,0M trở lên khối lượng SiO2 thu không đổi Nguyên nhân SiO2 tan dung dịch NaOH tạo Na2SiO3 phản ứng xảy mạnh tăng nồng độ chất tham gia phản ứng NaOH Tuy nhiên, nồng độ NaOH lớn 0,5 M lượng SiO2 thu tăng không đáng kể Do đó, dung dịch NaOH có nồng độ tối ưu 5,0 M chọn để điều chế silic đioxit 3.3.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình điều chế SiO2 từ vỏ trấu thực điều kiện nhiệt độ phản ứng 1000C, thời gian nung 3,5 thể tích dung dịch NaOH 5,0 M thay đổi: 40ml, 60ml, 80ml, 100ml, 120ml, 140ml Kết thu trình bày hình 3.5 Kết thu cho thấy, tăng thể tích dung dịch NaOH (từ 40ml đến 100ml) khối lượng SiO2 thu tăng lên nhanh, thể tích NaOH từ 100ml trở lên khối lượng SiO2 thu không đổi Như vậy, tỉ lệ rắn/lỏng tối ưu 5,0 gam tro trấu/100 ml dung dịch NaOH 5,0 M Khối lượng silic đioxit (gam) 40 60 80 100 120 140 Thể tích dung dịch NaOH (ml) Hình 3.5 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình tách SiO2 từ vỏ trấu Footer Page 10 of 126 10 Header Page 11 of 126 Khối lượng silic đioxit (gam) 3.3.1.3 Ảnh hưởng thời gian nung đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Ảnh hưởng thời gian nung thay đổi từ 1,0 giờ, 1,5 giờ, 2,0 giờ, 2,5 giờ, 3,0 giờ, 3,5 giờ, 4,0 giờ, 4,5 giờ, 5,0 điều kiện nhiệt độ phản ứng 100oC, tỉ lệ rắn/lỏng g tro trấu/100ml NaOH 5,0M Kết thu trình bày hình 3.6 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Thời gian nung (h) 4.5 Khối lượng silic đioxit (gam) Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian nung đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Hình 3.6 cho thấy, tăng thời gian nung (từ 1,0 đến 4,0 giờ) khối lượng SiO2 thu tăng lên nhanh thời gian nung từ 4,0 trở khối lượng SiO2 thu không đổi Vì vậy, thời gian nung tối ưu để điều chế SiO2 từ tro trấu 4,0 3.3.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất điều chế SiO2 từ tro trấu khảo sát điều tỉ lệ rắn/lỏng g tro trấu/100ml NaOH 5,0M, thời gian Kết thu trình bày hình 3.7 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 80 85 90 95 100 105 Nhiệt độ nung (độ C) 110 Hình 3.7 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến trình tách silic đioxit từ vỏ trấu Hình 3.7 cho thấy, tăng nhiệt độ nung (từ 80 C đến 100 C) khối lượng SiO2 thu tăng lên nhanh nhiệt độ nung từ 1000C trở lên khối lượng SiO2 thu không đổi Vì vậy, nhiệt độ nung tối ưu để điều chế SiO2 từ tro trấu 1000C 3.3.2 Kết xác định độ tinh khiết số đặc tính hóa lý silic đioxit 3.3.2.1 Kết xác định độ tinh khiết silic đioxit Footer Page 11 of 126 11 Header Page 12 of 126 Silic đioxit tách từ vỏ trấu xác định độ tinh khiết phương pháp phân tích EDX PYC 406/11 Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Kết xác định độ tinh khiết SiO2 trình bày bảng 3.9 Bảng 3.9 Kết xác định độ tinh khiết SiO2 Nguyên tố Phần trăm khối lượng (%) C 0,06 O 53,25 Si 46,59 Na 0,04 Cl 0,06 Từ bảng 3.9 cho thấy, mẫu silic đioxit, hàm lượng nguyên tố silic oxi chiếm cao, hàm lượng nguyên tố lại không đáng kể Hàm lượng nguyên tố silic oxi cao điều chứng tỏ mẫu silic đioxit tách từ vỏ trấu có độ tinh khiết cao (silic đioxit chiếm khoảng 99,84% khối lượng) Như vậy, silic đioxit tách từ vỏ trấu có độ tinh khiết cao (99,84%), dùng làm chất phụ gia xi măng, cao su, dùng làm chất hút ẩm, chất hấp phụ, Hình 3.8 Silic đioxit tách từ vỏ trấu 3.3.2.2 Kết xác định số đặc tính hóa lý silic đioxit a) Kết đo phổ hồng ngoại (IR) Footer Page 12 of 126 12 Header Page 13 of 126 Đo phổ hồng ngoại mẫu silic đioxit quang phổ kế hồng ngoại GX – PerkinElmer – USA trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Hà Nội Phổ hồng ngoại SiO2 trình bày hình 3.9 0.54 1104 0.52 0.50 0.48 0.46 0.44 0.42 0.40 A 0.38 0.36 0.34 0.32 478 3444 803 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.200 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 cm-1 1400 1200 1000 800 600 400.0 Hình 3.9 Phổ hồng ngoại (IR) silic đioxit Phổ IR cho thấy xuất píc đặc trưng 3444 cm-1, 1104 cm-1, 803 cm-1 478 cm-1 Trong píc 3444 cm-1 đặc trưng cho dao động kéo căng nhóm O-H gắn nhóm silanol tự (Si-O-H) Píc 1104 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm siloxan (Si-O-Si) Píc 803 cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm SiOH Píc 478 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng góc nhóm siloxan (SiO-Si) b) Kết chụp ảnh SEM Chụp ảnh SEM mẫu silic đioxit Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Ảnh SEM SiO2 trình bày hình 3.10 Hình 3.10 Ảnh SEM silic đioxit Footer Page 13 of 126 13 Header Page 14 of 126 Ảnh SEM cho thấy, silic đioxit tách từ vỏ trấu có cấu trúc xốp cao dùng làm chất hấp phụ tốt c) Kết đo XRD Đo XRD mẫu silic đioxit Khoa Hóa – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Hà Nội Kết XRD trình bày hình 3.11 F a c u l t y o f C h e m is t r y , H U S , V N U , D A D V A N C E - B r u k e r - M a u S i O 13 12 11 10 90 Lin (Cps) 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 - T h e ta - S c a le F ile : B i n h D N m a u S iO w - T y p e : L o c k e d C o u p le d - S t a r t : 0 0 ° - E n d : 0 ° - S t e p : 0 ° - S t e p t i m e : s - T e m p : ° C (R o o m ) - T i m e S t a r t e d : s - -T h e t a : 0 0 ° - T h e t a : 0 ° - C h i: Hình 3.11 Giản đồ XRD silic đioxit Phổ XRD cho thấy có píc xuất góc 2θ 220 cường độ thấp ( 7,0 Nguyên nhân ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Cu2+ Zn2+ SiO2 giải thích hấp phụ cạnh tranh H+ tích điện dương bề mặt SiO2 vùng pH thấp; vùng pH > 7,0 có xuất kết tủa dạng hidroxit nên hiệu suất hấp phụ giảm Vì vậy, dung dịch có pH = 7,0 chọn cho trình tách Cu2+ Zn2+ 3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn – lỏng đến trình hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng SiO2/thể tích dung dịch khảo sát điều kiện: nồng độ Cu2+, Zn2+ 20 mg/l, pH = 7,0, thời gian khuấy 150 phút, nhiệt độ 30oC Tỉ lệ khối lượng SiO2/thể tích dung dịch thay đổi từ 0,4 ÷ 3,0 g/100 ml Kết phụ thuộc hiệu suất tải trọng hấp phụ Cu2+, Zn2+ vào tỉ lệ khối lượng SiO2 thể hình 3.17, 3.18 Tải trọng hấp phụ (mg/g) 4.5 3.5 2.5 Tải trọng Cu Tải trọng Zn 1.5 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 Khối lượng Silicđioxit (gam) Hình 3.17 Ảnh hưởng khối lượng SiO2 đến tải trọng hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ Footer Page 16 of 126 16 Header Page 17 of 126 100 Hiệu suất hấp phụ (%) 95 90 85 Hiệu suất Cu Hiệu suât Zn 80 75 70 65 Khối lương Silic đioxit (gam) Hình 3.18 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn lỏng đến trình hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ Kết cho thấy, hiệu suất hấp phụ tăng tỉ lệ khối lượng SiO2/thể tích dung dịch tăng từ 0,4g đến 1,6 g/ 100 ml Tuy nhiên, tiếp tục tăng nồng độ SiO2 hiệu suất hấp phụ tăng không đáng kể, tải trọng hấp phụ lại giảm mạnh Vì vậy, tỉ lệ khối lượng SiO2/thể tích dung dịch cho hấp phụ Cu2+ 1,6 g/ 100 ml hấp phu Zn2+ 2,0g/100 ml 3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ Zn2+ đến trình hấp phụ bể Hình 3.19, 3.20 trình bày kết ảnh hưởng nồng độ Cu2+, Zn2+ đến trình hấp phụ điều kiện: thời gian khuấy 150 phút, nồng độ SiO2 1,6 g/ 100 ml cho hấp phụ Cu2+ 2,0 g/100 ml cho hấp phụ Zn2+, nhiệt độ 30oC Nồng độ Cu2+ thay đổi từ 5,0 ÷ 30,0 mg/l 1.8 Tải trọnghấpphụ(mg/g) 1.6 1.4 1.2 Tải trọng Cu Tải trọng Zn 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 35 Nồng độ ion kiam loạ i (mg/l) Hình 3.19 Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ Zn2+ đến tải trọng hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ Hiệu suất hấp phụ (%) 101 100 99 98 Hiệu suất Cu 97 Hiệu suất Zn 96 95 94 93 10 15 20 25 30 35 Nồng độ ion kim loại (mol/l) Hình 3.20 Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ Zn2+ đến tải trọng hấp phụ bể Footer Page 17 of 126 17 Header Page 18 of 126 Hình 3.19, 3.20 cho thấy, nồng độ Cu2+ Zn2+ tăng lên tải trọng hấp phụ tăng lên cách gần tuyến tính hiệu suất hấp phụ giảm 3.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ Trong trình hấp phụ, việc xây dựng phương trình đẳng nhiệt hấp phụ cho phép đánh giá, mô tả chất trình hấp phụ, tìm điều kiện tối ưu cho việc sử dụng chất hấp phụ Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir sử dụng để đánh giá khả hấp phụ ion Cu2+, Zn2+ vật liệu silic đioxit Phương trình giả thiết hấp phụ xảy đơn lớp bề mặt vị trí định bề mặt vật hấp phụ; lực hấp phụ tất tâm hấp phụ hoàn toàn Kết trình bày hình 3.21 1.4 Đại lượng hấp phụ Cf/q (g/l) 1.2 y = 0.5477x + 0.2113 R2 = 0.9443 Cf/q (Cu) 0.8 Cf/q (Zn) y = 0.5596x + 0.1207 R2 = 0.9563 0.6 Linear (Cf/q (Zn)) Linear (Cf/q (Cu)) 0.4 0.2 0 0.5 1.5 Nồng độ ion kim loại lại Cf (mg/l) Hình 3.21 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir ion Cu2+ Zn2+ hấp phụ bể Kết hình 3.21 cho thấy, đại lượng hấp phụ Cf/q Cu2+ Zn2+ silic đioxit hấp phụ bể tăng dần theo chiều tăng nồng độ đầu ion kim loại Dựa vào phương trình đẳng nhiệt: y = 0,5596x + 0,1207 ta tính tải trọng hấp phụ cực đại Cu2+ silic đioxit hấp phụ bể qmax = 1,787 (mg/g) lực hấp phụ b = 4,636 dựa vào phương trình đẳng nhiệt: y = 0,5477x + 0,2113 ta tính tải trọng hấp phụ cực đại Zn2+ silic đioxit hấp phụ bể qmax = 1,826 (mg/g) lực hấp phụ b = 2,592 Như vậy, tải trọng hấp phụ cực đại Cu2+ Zn2+ silic đioxit hấp phụ bể tương đối cao lực hấp phụ mạnh 3.6 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỘT CỦA SILIC ĐIOXXIT ĐỐI VỚI ION Cu2+, Zn2+ 3.6.1 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng đến trình hấp phụ cột Cu2+ Zn2+ Cột nhồi dùng cho hấp phụ ion Cu2+ nhồi 1,6 gam Silic đioxit (tỉ lệ rắn lỏng tối ưu hấp phụ bể) cột nhồi dung cho hấp phụ Zn2+ nhồi gam Silic đioxit (tỉ lệ rắn lỏng tối ưu hấp phụ bể) Footer Page 18 of 126 18 Header Page 19 of 126 Hình 3.22 Cột nhồi Silic đioxit hấp phụ cột Cho 100ml dung dịch Cu2+ Zn2+ nồng độ 20mg/l, pH 7,00 (là pH tối ưu hấp phụ bể) chảy qua cột nhồi Silic đioxit với tốc độ dòng 2,00ml/ph; 1,00ml/ph; 0,67ml/ph; 0,50ml/ph; 0,40 ml/phút (tương ứng với thời gian khuấy 100ml dung dịch ion kim loại hấp phụ bể), hứng lấy dung dịch thu bình tam giác 250ml đem xác đinh nồng độ Hiệu suất hấp phụ thể đồ thị hình 3.22 Hiệu suất hấp phụ (%) 99.8 99.6 99.4 99.2 H(%) Cu 99 H(%) Zn 98.8 98.6 98.4 98.2 0.5 1.5 2.5 Vận tốc dòng (ml/ph) Hình 3.22 Ảnh hưởng tốc độ dòng đến trình hấp phụ cột Cu2+ Zn2+ Hình 3.22 cho thấy, tốc độ dòng chảy tăng lên hiệu suất hấp phụ giảm xuống Ở tốc độ dòng 0,67ml/ph nhỏ hiệu suất hấp phụ tăng lên nhẹ Như chọn tốc độ dòng chảy 0,67ml/ph cho trình hấp phụ cột 3.6.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ Zn2+ đến trình hấp phụ cột Nhồi cột tương tự trình bày Cho 100ml dung dịch Cu2+ Zn2+ nồng độ 5mg/l; 10mg/l; 15mg/l; 20mg/l; 25mg/l; 30mg/l có pH 7,00 (là pH tối ưu hấp phụ bể) chảy qua cột nhồi Silic đioxit với tốc độ dòng 0,67ml/ph tốc độ dòng tối ưu, hứng lấy dung dịch thu bình tam giác 250ml đem xác đinh nồng độ Cu2+ Zn2+ Hiệu suất hấp phụ tải trọng hấp phụ thể đồ thị hình 3.23 3.24 Footer Page 19 of 126 19 Header Page 20 of 126 Hiệu suất hấp phụ (%) 99.9 99.8 99.7 99.6 H (%) Cu 99.5 H (%) Zn 99.4 99.3 99.2 99.1 10 15 20 25 30 35 Nồng độ ion kim loại (mg/l) Hình 3.23 Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ Zn2+ đến hiệu suất hấp phụ cột Tải trọng hấp phụ (mg/g) 1.8 1.6 1.4 1.2 Tải trọng Cu Tải trọng Zn 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 35 Nồng độ ion kim loại (mg/l) Hình 3.24 Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ Zn2+ đến tải trọng hấp phụ cột Đồ thị hình 3.23, 3.24 cho thấy, nồng độ Cu2+ Zn2+ tăng lên tải trọng hấp phụ tăng lên cách gần tuyến tính hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ Từ kết trên, xác định tải trọng hấp phụ cực đại y = 0.5383x + 0.0312 R2 = 0.9836 Đại lượnghấpphụCf/q(g/l) 0.18 0.16 0.14 0.12 Cf/q (g/l) Cu 0.1 Cf/q (g/l) Zn y = 0.3932x + 0.0407 R2 = 0.9883 0.08 Linear (Cf/q (g/l) Zn) Linear (Cf/q (g/l) Cu) 0.06 0.04 0.02 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Nồng độ ion kim loại lại Cf (mg/l) Hình 3.25 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir ion Cu2+ Zn2+ hấp phụ cột Dựa vào phương trình đẳng nhiệt: y = 0,3932x + 0,0407 ta tính tải trọng hấp phụ cực đại Cu2+ silic đioxit hấp phụ cột qmax = 2,543 (mg/g) lực hấp phụ b = 9,662 dựa vào phương trình đẳng nhiệt: y = 0,5383x + 0,0312 ta tính tải trọng hấp phụ cực đại Zn2+ silic đioxit hấp phụ cột qmax = 1,858 (mg/g) lực hấp phụ b = 17,250 Như vậy, tải trọng hấp phụ cực đại Cu2+ Zn2+ silic đioxit hấp phụ cột cao lực hấp phụ mạnh 3.7 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁI HẤP PHỤ CỦA SILIC ĐIOXIT Footer Page 20 of 126 20 Header Page 21 of 126 Lấy vào cốc 100ml Cu2+ Zn2+ nồng độ 20mg/l Điều chỉnh pH 7,00 (pH tối ưu) Cho vào cốc 1,6 gam silic đioxit dung dịch Cu2+ 2,0 gam Silic đioxit dung dịch Zn2+ Khuấy máy khuấy từ nhiệt độ phòng khoảng thời gian 150 phút (thời gian khuấy tối ưu) Lọc lấy nước lọc xác định nồng độ ion Phần rắn lại đem giải hấp HCl 4M, thời gian khuấy 150 phút (bằng thời gian hấp phụ), lọc lấy phần rắn rửa nước cất đến môi trường trung tính tiếp tục đem hấp phụ lần lần theo thao tác ta kết thể đồ thị hình 3.26 3.27 Tải trọng hấp phụ (mg/g) 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 Tải trọng Cu Tải trọng Zn 0.95 0.9 0.85 0.8 0.5 1.5 2.5 3.5 Số lần hấp phụ Hình 3.26 Kết tải trọng hấp phụ tái hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ Silic đioxit Hiệu suất hấp phụ (%) 100 98 96 94 H (%) Cu 92 Zn (%) Zn 90 88 86 0.5 1.5 2.5 3.5 Số lần hấp phụ Hình 3.27 Kết hiệu suất hấp phụ tái hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ SiO2 Như vậy, tái sử dụng Silic đioxit tải trọng hấp phụ hiệu suất hấp phụ giảm xuống Tuy nhiên với lần 2, lần hiệu suất cao nên coi Silic đioxit vật liệu hấp phụ tốt tái sử dụng nhiều lần KẾT LUẬN Qua nghiên cứu đề tài, thu số kết luận sau: 1- Hàm lượng nguyên tố silic vỏ trấu tương đối cao 9,20% (tương ứng với 19,71% SiO ), nên thuận lợi cho trình điều chế SiO từ vỏ trấu Trong tro trấu hàm lượng SiO 97,07% 2- Điều kiện tối ưu để điều chế silic đioxit từ tro trấu: nồng độ NaOH 5,0 M; tỉ lệ rắn/lỏng: gam tro trấu/20 ml dung dịch NaOH 5,0 M; thời gian nung giờ; nhiệt độ nung 1000C Footer Page 21 of 126 21 Header Page 22 of 126 3- SiO2 điều chế từ vỏ trấu có độ tinh khiết 99,84%, cấu trúc vô định hình, độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng BET 108,96 m2/g, đường kính mao quản trung bình 311,21 A0 4- Xác định ảnh hưởng yếu tố đến trình hấp phụ bể Cu2+ Zn2+ - Đối với trình hấp phụ bể Cu2+: thời gian khuấy tối ưu 150 phút; pH tối ưu 7,00; tỉ lệ rắn lỏng tối ưu 1,6 gam SiO2/100ml dung dịch Cu2+ 20mg/l với hiệu suất hấp phụ 95,43 (%) Tải trọng hấp phụ cực đại ion Cu2+ silic đioxit hấp phụ bể qmax = 1,787 (mg/g) lực hấp phụ b = 4,636 - Đối với trình hấp phụ bể Zn2+: thời gian khuấy tối ưu 150 phút; pH tối ưu 7,00; tỉ lệ rắn lỏng tối ưu gam SiO2/100ml dung dịch Zn2+ 20mg/l với hiệu suất hấp phụ 97,88 (%) Tải trọng hấp phụ cực đại Zn2+ silic đioxit hấp phụ bể qmax = 1,826 (mg/g) lực hấp phụ b = 2,592 5- Xác định ảnh hưởng điều kiện đến trình hấp phụ cột Cu2+ Zn2+ + Đối với trình hấp phụ cột Cu2+ vận tốc dòng tối ưu 0,67ml/phút, pH =7,00; nồng độ dung dịch Cu2+, hiệu suất hấp phụ 99,48 (%) Tải trọng hấp phụ cực đại qmax = 2,543 lực hấp phụ b = 9,662 + Đối với trình hấp phụ cột Zn2+ vận tốc dòng tối ưu 0,67ml/phút, pH = 7,00; nồng độ dung dịch Zn2+, hiệu suất hấp phụ 99,69 (%) Tải trọng hấp phụ cực đại qmax = 1,858 lực hấp phụ b = 17,250 6- Khả tái hấp phụ Silic đioxit ion kim loại Cu2+ Zn2+ cao, tái sử dụng vật liệu nhiều lần Footer Page 22 of 126 22 Header Page 23 of 126 CÁC KẾT QUẢ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1- Lê Tự Hải, Nguyễn Văn Bỉnh (2012), Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến trình điều chế SiO2 từ vỏ trấu, Tạp chí Khoa học Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, 4(03), 8-15 2- Lê Tự Hải, Trần Văn Đức, Nghiên cứu tách ion Cu2+, Zn2+ dung dịch nước vật liệu SiO2 điều chế từ vỏ trấu, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Đại học Đà Nẵng lần thứ – 2012 (Bài gửi đăng Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng) Footer Page 23 of 126 23 ... trình tách silic đioxit từ vỏ trấu xây dựng quy trình tách SiO2 từ vỏ trấu với hiệu suất cao - Sử dụng SiO2 tách từ vỏ trấu làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+, Zn2+ nước ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU... thấy trấu có chứa lượng lớn SiO2 với cấu trúc xốp nên sử dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng nước Như vậy, việc nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim... khoa học nghiên cứu thành phần hóa học vỏ trấu - Cung cấp thông tin khoa học nghiên cứu tách SiO2 từ vỏ trấu - Cung cấp thông tin ứng dụng SiO2 làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+, Zn2+ dung dịch nước