Nghiên cứu cố định Zr trên nhựa purolite C100

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC     ĐINH THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH Zr (IV) TRÊN NHỰA PUROLITE C100 VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÍ ASEN TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ quy Ngành Công Nghệ Hóa Học Cán hƣớng dẫn: PGS TS Đỗ Quang Trung NCS Đào Phƣơng Thảo Hà Nội – 2013 Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể thầy cô Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, thầy cô khoa Hóa Học dạy dỗ truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt bốn năm học tập rèn luyện Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đỗ Quang Trung giao đề tài khóa luận bảo nhiệt tình em suốt thời gian thực đề tài khóa luận tốt nghiệp Tiếp sau em xin gửi lời cảm ơn đến thạc sĩ Đào Thị Phương Thảo, chị Phạm Ngọc Dung lớp K53TT giúp em hoàn thành khóa luận Cuối em muốn cảm ơn lời khuyên bổ ích bạn bè thành viên phòng thí nghiệm hóa môi trường Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2013 Sinh viên Đinh Thị Hương Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp LờI Mở ĐầU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các dạng tồn phân bố Asen tự nhiên 1.1.1 Các dạng tồn Asen 1.1.2 Phân bố As tự nhiên 1.2 Tình trạng ô nhiễm As 1.2.1 Ô nhiễm asen giới .7 1.2.2 Ô nhiễm Asen Việt Nam 1.3 Các phƣơng pháp xử lí As 13 1.3.1 Phương pháp kết tủa, lắng/lọc 13 1.3.2 Phương pháp hấp phụ trao đổi ion 14 1.3.3 Phương pháp sử dụng thực vật (phytoremediation) 14 1.4 Một số vật liệu sử dụng để hấp phụ Asen 15 1.4.1 Than hoạt tính 15 1.4.2 Bùn đỏ 16 1.4.3 Mangan đioxit 17 1.4.4 Hydroxit 18 1.4.5 Ứng dụng hợp chất Zr (IV)trong xử lí As 19 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 22 2.1.1 Mục tiêu 22 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 22 2.2 Hóa chất, vật liệu dụng cụ 22 2.2.1 Hóa chất vật liệu 22 2.2.1.4 Xác định nồng độ Zr(IV) nồng độ H+ dung dịch Zr(IV) thu hồi 23 2.2.2 Dụng cụ 23 2.3 Các phƣơng pháp phân tích sử dụng thực nghiệm 24 2.4 Các phƣơng pháp tính toán để đánh giá đặc tính vật liệu hấp phụ 27 2.4.1 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ cực đại 27 2.4.2 Xác định giá trị pH trung hòa điện vật liệu 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Khảo sát điều kiện cố định Zr (IV) lên nhựa purolite C100 30 Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp 3.1.1 So sánh khả hấp phụ loại vật liệu trước sau cố định Zr (IV) 30 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng nộng độ đầu Zr (IV) 33 3.1.4 Xác định pH trung hòa điện vật liệu 34 3.2 Khảo sát tải trọng hấp phụ As vật liệu 36 3.2.1 Khảo sát thời gian cân hấp phụ 36 3.2.2 Khảo sát pH hấp phụ tối ưu vật liệu 38 3.2.3 Xác định tải trọng hấp phụ cực đại 39 3.3 Khảo sát khả rửa giải As khỏi vật liệu hấp phụ 45 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp Mục lục bảng Bảng 1: Hàm lượng asen vùng khác giới Bảng 2: Kết xác định dung dịch chuẩn Asen từ 10-90 ppb 25 Bảng 3: Kết xác định dung dịch chuẩn Asen từ 100-800ppb 26 Bảng 4: khả hấp phụ As loại vật liệu 30 Bảng 5: Ảnh hưởng nồng độ [H+] 32 Bảng 6: Ảnh hưởng nồng độ đầu Zr(IV) 33 Bảng 7: Kết xách định pHpzc vật liệu 35 Bảng 8: Kết khảo sát thời gian cân hấp phụ As 36 Bảng 9: Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As vật liệu 38 Bảng 10: Ảnh hưởng nồng độ đầu đến trình hấp phụ As vật liệu 40 Bảng 11: Ảnh hưởng ion đến khả hấp phụ As vật liệu 42 Bảng 12: Khảo sát khả giải hấp As (III) khỏi nhựa cationđã cố định Zr(IV) 45 Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp Mục lục hình Hình 1: Ảnh hưởng pH đến dạng tồn Asen Hình 2: Đồ thị Eh-pH dạng tồn As hệ gồm As-O2-H2O 25oC áp suất bar [23] Hình 3: Đồ thị Eh-pH hệ As-Fe-H2O [11] Hình 4: sơ đồ tuần hoàn Asen tự nhiên Hình 5: Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen giới [11] Hình 6: Bản đồ ô nhiễm asen miền bắc 10 Hình 7: Tình hình nhiễm asen Hà nội 12/1999 11 Hình 8: Tình hình nhiễm asen nước ngầm số bãi giếng khai thác nước ngầm Hà nội, 2001 (I Mai Dịch, II Ngọc Hà, III Yên Phụ, IV Ngô Sỹ Liên, V Lương Yên, VI Hạ Đình, VII Tương Mai, VIII Pháp Vân) 11 Hình 9: Bản đồ ô nhiễm As lưu vực sông MeKong –Việt Nam 13 Hình 10: chế hấp phụ với As (V) 20 Hình 11: Cơ chế hấp phụ với As (III) 20 Hình 12: Đường chuẩn As từ 10-90 ppb 25 Hình 13: Đường chuẩn As từ 100-800 ppb 26 Hình 14: Đường hấp phụ đẳng nhiệt langmuir 27 Hình 15: Đồ thị để xác định số phương trình langmuir 28 Hình 16: Đồ thị xác định pHpzc vật liệu 29 Hình 17: So sánh khả hấp phụ As vật liệu C100-1 C100-0 31 Hình 18: Ảnh hưởng nồng độ [H+] 32 Hình 19: Ảnh hưởng nồng độ đầu Zr (IV) 34 Hình 20: Đồ thị xác định pHpzc vật liệu C100-1 C100-0 35 Hình 21: Thời gian cân hấp phụ 37 Hình 22: Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As vật liệu 39 Hình 23: Đường hấp phụ đẳng nhiệt langmuir với As 40 Hình 24: Đường thẳng xác định hệ số phương trình Langmuir với As 41 Hình 25: Ảnh hưởng cation đến trình hấp phụ As 43 Hình 26: Ảnh hưởng anion đến trình hấp phụ As 43 Hình 27: Ảnh hưởng NaOH đến khả giải hấp As (III) khỏi nhựa cation cố định Zr (IV) 46 Hình 28: Ảnh hưởng H2SO4 đến khả giải hấp As (III) khỏi nhựa cation cố định Zr (IV) 46 Hình 29: Ảnh hưởng Na2CO3 đến khả giải hấp As (III) khỏi nhựa cation cố định Zr (IV) 47 Hình 30: Ảnh hưởng HCl đến khả giải hấp As(III) khỏi nhựa cation cố định Zr (IV) 47 Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Bảng Viết Tắt KÝ KIỆU GIẢI THÍCH MB1-0 Nhựa MuromaxB1 MB1-1 Nhựa MuromaxB1 gắn Zr (IV) C100-0 Nhựa purolite C100 C100-1 Nhựa Purolite C100 gắn Zr (IV) A100-0 Nhựa Purolite A100 A100-1 Nhựa Purolite A100 gắn Zr (IV) Khóa luận tốt nghiệp Lời Mở Đầu Nước nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, yếu tố thiếu cho hoạt động sống trái đất Ngày nguồn nước tự nhiên ngày bị ô nhiễm nghiêm trọng, có nguồn nước ngầm Nước ngầm bị ô nhiễm thường chứa hợp chất có hại cho sức khỏe người hợp chất kim loại nặng, florua, NO3− hợp chất hữu Sử dụng nước ngầm ô nhiễm Asen, Amoni, Mangan, thường gây số bệnh ung thư da, phổi, rối loạn hệ thần kinh Để xử lý nguồn nước ngầm ô nhiễm có nhiều phương pháp, phương pháp hấp phụ vật liệu ứng dụng nhiều Đối với As, dùng nhiều vật liệu để loại bỏ than hoạt tính, bùn đỏ, sắt hydroxit…nhưng khả xử lý chưa cao Trong thực tế người ta sử dụng vật liệu biến tính nhựa trao đổi ion gắn Zr(IV) cho thấy hiệu loại bỏ As cao nhiều Với mục đích khai thác tiềm ứng dụng vật liệu cố định Zr(IV) việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt loại bỏ ion độc hại nước Tôi chọn thực đề tài “ Nghiên cố đinh ̣ Zr (IV) nhựa purolite C100 ứng dụng xử lí Asen môi trƣờng nƣớc‖ Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các dạng tồn phân bố Asen tự nhiên 1.1.1 Các dạng tồn Asen Asen (số hiệu nguyên tử 33) nguyên tố phổ biến xếp thứ 20 tự nhiên, chiếm khoảng 0,00005% vỏ trái đất, xếp thứ 14 nước biển thứ 12 thể người [4] Nó có hầu hết loại đá với hàm lượng từ 0,5 đến 2,5 mg/Kg Asen dạng tinh thể có màu xám bạc, giòn có khối lượng nguyên tử 74,9đvC; trọng lượng riêng 5,73g/cm3; tan chảy nhiệt độ 8170 C (dưới áp suất 28 atm), sôi 6130 C áp suất hóa 1mm Hg 3720 C Kể từ tinh chế vào năm 1250 sau công nguyên Albertus Magnus, nguyên tố liên tục trung tâm tranh luận Asen di chuyển tự nhiên nhờ hoạt động thời tiết, hệ sinh vật, hoạt động địa lý, đợt phun trào núi lửa hoạt động người Mỗi năm sói mòn đất thẩm thấu đưa vào đại dương 612x108 2380x108 gam asen Hầu hết vấn đề arsen môi trường kết lưu chuyển asen điều kiện tự nhiên Tuy nhiên, hoạt động khai thác mỏ, với khai thác nhiên liệu hóa thạch, sử dụng thuốc trừ sâu có asen, thuốc diệt cỏ, chất làm khô nông sản, phụ gia có asen thức ăn chăn nuôi tạo thêm ảnh hưởng Arsen tồn với số oxi hóa -3, 0, +3 +5 Các trạng thái tự nhiên bao gồm asenious axit (H3AsO3, H3AsO3, H3AsO32-,…), asenic axit (H3AsO4, H3AsO4-, H3AsO42-,…) asenit, asenat, metyl-asenic axit, dimethylarsinic axit, arsine,… Hai dạng thường thấy tự nhiên arsen asenit (AsO33-) asenat (AsO43-), xem Asen (III) Asen (V) Dạng As (V) hay asenat gồm AsO43-, HAsO42-, H2AsO4- dạng As (III) hay asenit gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- AsO33- Các dạng tồn Asen tự nhiên phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường Trường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Khóa luận tốt nghiệp Ảnh hƣởng pH [5] Hình 1: Ảnh hưởng pH đến dạng tồn Asen Một số dạng dạng tồn As: As (III), As (V), chịu cân axit-bazơ, có mặt dạng tồn dạng phụ dựa vào pH As(OH)3 phân ly liên tiếp môi trường sau: H3AsO3 ↔ H2AsO3- + H+ pK1 = 9,2 H2AsO3- ↔ HAsO32- +H+ pK2 = 12,1 HAsO32- ↔ AsO33- + H+ pK3 = 12,7 Hình cho thấy pH trung tính, H3AsO3 chiếm tỉ lệ H2AsO3- chiếm tỉ lệ nhỏ (