Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng MnO2 và TiO2 làm vật liệu xử lý Asen và Amoni trong nước

Header Page of 27 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Thu Trang NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG MnO2 VÀ TiO2 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ AMONI TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - NĂM 2015 Footer Page of 27 Header Page of 27 ĐẠI HỌC QUỐC HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Thu Trang NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNGMnO2 VÀ TiO2 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ AMONI TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 62440120 Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Trần Hồng Côn HÀ NỘI - NĂM 2015 Footer Page of 27 Header Page of 27 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ, cho tơi kiến thức q báu q trình nghiên cứu Cảm ơn thầy PTN Hóa Mơi trường - Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm thực nghiệm Chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phòng thí nghiệm Hóa mơi trường giúp đỡ tơi q trình tìm tài liệu hồn thiện luận văn Để hoàn thành luận văn này, ngồi nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu thân, giúp đỡ người xung quanh, đặc biệt người thầy, đồng nghiệp trường THPT Xuân Mai đóng góp phần khơng nhỏ nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2015 Học viên cao học Vũ Thị Thu Trang Footer Page of 27 Header Page of 27 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.ASEN 1.1.1 Giới thiệu chung Asen 1.1.2.Ảnh hưởng asen đến sức khỏe người Error! Bookmark not defined 1.1.2.1.Asen Vô Cơ Error! Bookmark not defined 1.1.2.2.Asen Hữu Cơ Error! Bookmark not defined 1.1.3.Tình trạng nhiễm Asen Error! Bookmark not defined 1.1.3.1.Ô nhiễm Asen giới Error! Bookmark not defined 1.1.3.2.Tình hình nhiễm asen Việt Nam Error! Bookmark not defined 1.1.4.Một số công nghệ xử lý asen Error! Bookmark not defined 1.1.4.1.Công nghệ kết tủa, lắng, lọc Error! Bookmark not defined 1.1.4.2.Oxi hoá/khử Error! Bookmark not defined 1.1.4.3.Công nghệ hấp phụ trao đổi ion Error! Bookmark not defined 1.1.4.4.Các phương pháp vật lý Error! Bookmark not defined 1.2.AMONI Error! Bookmark not defined 1.2.1.Giới thiệu chung Amoni Error! Bookmark not defined 1.2.2.Ảnh hưởng Amoni sức khỏe ngườiError! Bookmark not defined 1.2.3.Tình trạngơ nhiễm Amoni Việt Nam Error! Bookmark not defined 1.2.3.1.Nguồ n gố c ô nhiễm amoni nước ngầ m ở Viê ̣t Nam Error! Bookmark not defined 1.2.3.2.Hiện trạng ô nhiễm amoniở Việt Nam Error! Bookmark not defined 1.2.4.Một số công nghệ xử lý Amoni Error! Bookmark not defined 1.2.4.1.Phương pháp kiềm hóa làm thống Error! Bookmark not defined 1.2.4.2.Phương pháp Ozon hoá với xúc tác Bromua(Br-)[5]Error! Bookmark not defined 1.3 Than hoạt tính Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 Header Page of 27 1.3.1 Đặc tính than hoạt tính Error! Bookmark not defined 1.3.2 Ảnh hưởng nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ Error! Bookmark not defined 1.3.4 Tính axit bề mặt than Error! Bookmark not defined 1.3.5 Tính kị nước Error! Bookmark not defined 1.5 Tâm hoạt động bề mặt than Error! Bookmark not defined 1.6 Phương pháp tính tốn tải trọng hấp phụ vật liệuError! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1.Đối tượng nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2.Mục tiêu nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứuError! Bookmark not defined 2.4.Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.4.1.Chuẩn bị than hoạt tính Error! Bookmark not defined 2.4.2.Oxy hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1)Error! Bookmark not defined 2.4.3.Tạo vật liệu AC-2 Error! Bookmark not defined 2.4.4.Tạo vật liệu AC-3 Error! Bookmark not defined 2.5 Phương pháp xác định ion dung dịch Error! Bookmark not defined 2.5.1 Phương pháp xác định nồng độ As: Phân tích asen phương pháp so màu giấy tẩm thủy ngân Error! Bookmark not defined 2.5.1.1 Pha dung dịch Error! Bookmark not defined 2.5.1.2 Nguyên tắc xác định phương pháp Error! Bookmark not defined 2.5.1.3 Quy trình phân tích Error! Bookmark not defined 2.5.1.4 Dựng đường chuẩn Error! Bookmark not defined 2.5.2 Xác định nồng độ amoni Error! Bookmark not defined 2.6 Khảo sát khả hấp phụ ion asenat vật liệuError! Bookmark not defined 2.6.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ As vật liệuError! Bookmark not defined 2.6.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ As vật liệuError! Bookmark not defined 2.6.3 Xác định dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệuError! Bookmark not defined 2.7 Khảo sát khả hấp phụ Amoni vật liệu Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 Header Page of 27 2.7.1 Khảo sát sơ khả hấp phụ amoni vật liệuError! Bookmark not defined 2.7.2 Khảo sát thời gian cân hấp phụ amoni cực đạiError! Bookmark not defined 2.7.3 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại: Error! Bookmark not defined 2.8 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu 38 2.8.1 Xác định diện tích bề mặt than 38 2.8.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 39 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1.Xác định số đặc trưng than biến tính Error! Bookmark not defined 3.1.1.Kết đo BET Error! Bookmark not defined 3.1.2.Kết chụp SEM Error! Bookmark not defined 3.2.Khả hấp phụ As vật liệu than hoạt tính biến tínhError! Bookmark not define 3.2.1.Khảo sát sơ khả hấp phụ As vật liệu ACError! Bookmark not defined 3.2.1.1.Các mẫu AC-0, AC-1, AC-2, AC-3 Error! Bookmark not defined 3.2.1.2.Các mẫu AC-2 Error! Bookmark not defined 3.2.1.3.Các mẫu AC-3 Error! Bookmark not defined 3.2.2.Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ As vật liệuError! Bookmark not defined 3.2.3.Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại Error! Bookmark not defined 3.2.3.1.Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC-1 Error! Bookmark not defined 3.2.3.2Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC-2 Error! Bookmark not defined 3.2.3.2.Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại vật liệu AC- Error! Bookmark not defined 3.3.Kết khảo sát khả hấp phụ Amoni vật liệu than hoạt tính biến tính Error! Bookmark not defined 3.3.1.Khảo sát sơ khả hấp phụ Amoni vật liệu AC Error! Bookmark not defined 3.3.2.Khảo sát thời gian cân hấp phụ Error! Bookmark not defined 3.3.3.Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu với amoni Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 Header Page of 27 3.3.3.1.Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-1 Error! Bookmark not defined 3.3.3.2.Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC2 Error! Bookmark not defined 3.3.3.3.Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại amoni vật liệu AC-3 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Footer Page of 27 Header Page of 27 DANH MỤC HÌNH Hình1.1: Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen giới [3,7] Hình1.2: Bề mặt dạng than hoạt tính ơxi hóa 18 Hình1.4: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 28 Hình 1.5: Đồ thị để xác định số pt LangmuirError! Bookmark not defined Hình 2.1: Đường chuẩn asen Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Đường chuẩn xác định nồng độ NH4+ Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Dạng đồ thị đường thẳng BET 38 Hình 2.4 Cấu tạo kính hiển vi điện tử quét SEM 38 Hình 3.1: Đường cong hấp phụ/giải hấp nitơ mẫu (a) AC-1, (b) AC-2 (c) AC-3 Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ As vật liệu AC2 Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Đường hấp phụ đẳng nhiệt vật liệu AC-1với AsError! not defined Hình 3.4: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 với AsError! Bookmark Bookmark not defined Hình 3.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt As vật liệu AC2Error! Bookmark not defined Hình 3.6: Đồ thị phương trình langmuir AC-2 với AsError! Bookmark not defined Hình 3.7: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 với AsError! Bookmark not defined Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn thời gian cân hấp phụ amoniError! Bookmark not defined Hình 3.9: Đồ thị phương trình langmuir AC-1 với amoniError! Bookmark not defined Hình 3.10: Đồ thị phương trình langmuir AC-2 với amoniError! Bookmark not defined Hình 3.11: Đồ thị phương trình langmuir AC-3 với amoniError! Bookmark not defined Footer Page of 27 Header Page of 27 Footer Page of 27 Header Page 10 of 27 DANH MỤC BẢNG Bảng2.1: Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứuError! Bookmark not defined Bảng2.2: Danh mục Hóa chất cần thiết cho nghiên cứuError! Bookmark not defined Bảng2.3: Kết thí nghiệm Error! Bookmark not defined Bảng 3.1: Kết khảo sát sơ mẫu vật liệu Error! Bookmark not defined Bảng 3.2: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen AC-2 Error! Bookmark not defined Bảng 3.3: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ asen AC-3 Error! Bookmark not defined Bảng 3.4: Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ AsError! Bookmark not defined Bảng 3.5: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-1Error! Bookmark not defined Bảng 3.6: Kết hấp phụ As vật liệu AC-2 (Mn(IV) 3%)Error! Bookmark not defined Bảng 3.7: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC3 hấp phụ AsError! Bookmark not defined Bảng3.8: Khảo sát khả hấp phụ loại vật liệuError! Bookmark not defined Bảng3.9: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ amoni AC-2 Error! Bookmark not defined Bảng3.10: Kết khảo sát sơ khả hấp phụ amoni AC-3 Error! Bookmark not defined Bảng3.11: Thời gian cân hấp phụ amoni Error! Bookmark not defined Bảng3.12: Kết khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu AC-1 với amoni Error! Bookmark not defined Bảng3.13: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-2 với amoni Error! Bookmark not defined Bảng3.14: Kết khảo sát langmuir vật liệu AC-3 với amoni Error! Bookmark not defined Footer Page 10 of 27 Header Page 11 of 27 Footer Page 11 of 27 Header Page 12 of 27 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình nhiễm nguồn nước nói chung nguồn nước sinh hoạt nói riêng cation kim loại nặng vấn đề toàn xã hội quan tâm nhu cầu chất lượng sống ngày cao Trên thực tế, nhiều địa phương, người dân phải sử dụng nguồn nước ô nhiễm, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng asen, chì, thủy ngân, hay nhiễm amoni Sử dụng nguồn nước ô nhiễm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân, gây nên bệnh nguy hiểm đặc biệt ung thư Than hoạt tính từ lâu sử dụng để làm nước Tuy nhiên, ứng dụng xử lý nước dừng lại việc loại bỏ hợp chất hữu số thành phần khơng phân cực có hàm lượng nhỏ nước Với mục đích khai thác tiềm ứng dụng than hoạt tính việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt lĩnh vực loại bỏ cation anion nước; chọn thực đề tài “Nghiên cứu biến tính than hoạt tính MnO2 TiO2 làm vật liệu xử lý asen amoni nước” Footer Page 12 of 27 Header Page 13 of 27 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.ASEN 1.1.1 Giới thiệu chung Asen Asen hay gọi thạch tín, có số hiệu nguyên tử 33, khối lượng nguyên tử 74,92, Albertus Magnus (Đức) viết vào năm 1250 Asen 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 Asen kim gây ngộ độc khét tiếng có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) vài dạng màu đen xám(á kim) số mà người ta nhìn thấy Asen hay tồn dạng hợp chất asenua asenat, ba dạng có tính kim loại asen với cấu trúc tinh thể khác tìm thấy tự nhiên (cáckhoángvật asen sensu stricto hiếmhơnlàasenolampritcùng parasenolamprit) Trạng thái oxi hóa phổ biến asen -3 (asenua: thông thường hợp chất liên kim loại tương tự hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit phần lớn hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn hợp chất vô chứa ôxy asen ổn định) Asen dễ tự liên kết với nó, chẳng hạn tạo thành cặp As-As sulfua đỏ hùng hoàng (α-As4S4) ion As43- vng khống coban asenua có tên skutterudit Ở trạng thái ơxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể asen chịu ảnh hưởng có mặt cặp electron khơng liên kết [6,8] Vì tính chất hóa học asen giống với nguyên tố đứng phốtpho,nótạothành ơxít kết tinh, khơng màu,khơng mùi As2O3 As2O5, chất hút ẩm dễ dàng hòa tan nước để tạo thành dung dịch có tính axít Axít asenic (V), tương tựnhư axít phốtphoric, axít yếu Tương tự phốt pho, asen tạo thành hiđrua dạng khí khơng ổn định, arsin (AsH3) Sự tương tự lớn đến mức asen thay phần cho phốtpho phản ứng hóa sinh học gây ngộ độc Tuy nhiên, liều thấp mức gây ngộ độc hợp chất asen hòa tan lại đóng vai trò chất kích thích phổ biến với liều nhỏ loại thuốc chữa bệnh cho người vào kỷ 18 H2AsO3ít phân ly dạng tồn chủ yếu nước ngầm asen Hợp chất H3AsO3 hình thành chủ yếu mơi trường khử yếu Các hợp chất asen với Na có tính hòa tan cao Những muối asen với Ca, Mg hợp Footer Page 13 of 27 Header Page 14 of 27 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 Chương (2002), Hóa Kỹ Thuật, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đặng Thị Thanh Lộc(2010): Nghiên cứu xử lý amoni nước ngầm nhà máy nước Pháp Vân – Hà Nội biện pháp sinh học với vật liệu màng ngập nước mơ hinh pilot, Khóa luận tốt nghiệp, K24 Khoa Môi Trường, Đại Học Khoa Học Huế Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế(2004), Hóa lí Tập hai Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Đào Chánh Thuận(2007), Trung nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi amoni nhựa cationit, đồ án tốt nghiệp, K07, lớp công nghệ môi trường, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên 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 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, Milonjic.S.K, Todozovic.M.B, Trtanj M.I, PogoZhev Yu S, (2007), “Point of zero charge of different carbides”, Colloids and surfaces A, 297, pp.1 – 10 Chen J P (2003), ”Surface modification of a granular activated carbon by citric acid for enhancement of copper adsorption”, Carbon, 41, pp 1979–1986 11 Chingombe P., Saha B., Wakeman R.J (2005), “Surface modification and characterisation of a coal-based activated carbon”, Carbon, 43, pp 3132–3143 12 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 Footer Page 14 of 27 Header Page 15 of 27 13 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 14 Marsh Harry, Rodriguez-Reinoso Francisco(2006), Activated Carbon, Elsevier, Spain 15 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 16 Matsumoto Masafumi et al(l994), “Surface modification of carbon whiskers by oxidation treatment”, Carbon, Vol 32 (I), pp 111-118 17 Mei S.X., et al(2008), “Effect of surface modification of activated carbon on its adsorption capacity for NH3”, J China Univ Mining & Technol, Vol.18(2), pp 0261–0265 18 Milonjic S.K., Ruvarac A.L (1975), “The Heat of immersion of natural magnetite in aqueous solutions”, Thermochimica Acta, 11(3), pp 261-266 19 Moreno C (2000), “Changes in surface chemistry of activated carbons by wet oxidation”, Carbon, 38, pp 1995–2001 20 Park Geun Il, Lee Jae Kwang, Ryu Seung Kon, Kim Joon Hyung(2002), “Effect of Two-step Surface Modification of Activated Carbon on the Adsorption Characteristics of Metal Ions in Wastewater”, Carbon Science, Vol 3(4), pp 219-225 21 Reynolds Tom D., Richards Paul A(1996),Unitoperations and processes in environmental engineering, PSW, USA 22 Shen Wenzhong, Liand Zhijie, Liu Yihong(2008), “Surface Chemical Functional Groups Modification of Porous Carbon”, Recent Patents on Chemical Engineering, 1(1), pp.27-40 23 Tao XU, Xiaoqin Liu(2008), “Peanut Shell Activated Carbon: Characterization, Surface Modification and Adsorption of Pb2+ from Aqueous Solution”, Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(3), pp 401- 406 24 Vassileva P., Tzvetkova P., Nickolov R (2008), “Removal of ammonium ions from aqueous solutions with coal-based activated carbons modi fied by oxidation”, Fuel, 88(2), pp 387–390 25 Vasu A.dwin(2008), “Surface Modification of Activated Carbon for Enhancement of Nickel(II) Adsorption”, Journal of Chemistry, 5(4), pp 814-819 Footer Page 15 of 27 Header Page 16 of 27 26 Yin Chun Yang, Aroua Mohd Kheireddine(2007), “Review of modifications of activated carbon for enhancing contaminant uptakes from aqueous solutions ”, Separation and Purification Technology, 52(3), pp 403–415 27 Tran Hong Ha, Thai Ba Cau, La Van Binh (2000), “Adsorption of uranium on silicagel packed column”, Journal of chemistry, Vol.38, No.1, pp 80-83 Footer Page 16 of 27  ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Thu Trang NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNGMnO2 VÀ TiO2 LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ AMONI TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Hóa môi... cation anion nước; chọn thực đề tài Nghiên cứu biến tính than hoạt tính MnO2 TiO2 làm vật liệu xử lý asen amoni nước Footer Page 12 of 27 Header Page 13 of 27 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 .ASEN 1.1.1... nhiên, ứng dụng xử lý nước dừng lại việc loại bỏ hợp chất hữu số thành phần khơng phân cực có hàm lượng nhỏ nước Với mục đích khai thác tiềm ứng dụng than hoạt tính việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt