NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb (II) HÒA TAN TRONG DUNG DỊCH BẰNG XƠ DỪA, MÙN CƯA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb (II) HÒA TAN TRONG DUNG DỊCH BẰNG XƠ DỪA, MÙN CƯA gành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Sinh viên thực hiện: LÊ QUỐC PHONG Niên khóa : 2008-2012 Tháng 07/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ SINH HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb (II) HÒA TAN TRONG DUNG DỊCH BẰNG XƠ DỪA, MÙN CƯA Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực ThS HUỲNH VĨNH KHANG LÊ QUỐC PHONG KS NGUYỄN MINH QUANG Tháng 07/2012 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Huỳnh Vĩnh Khang, KS Nguyễn Minh Quang, người tận tình chu đáo giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Bộ môn Công nghệ sinh học Trường Đại học Nông Lâm, Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Công Nghệ Sinh Học Và Môi Trường, Trường Đại học Nông Lâm tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cán phòng thí nghiệm hóa Viện Nghiên cứu Cơng Nghệ Sinh Học Và Môi Trường, Trường Đại học Nông Lâm bạn bè giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt q trình thực nghiệm TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2012 Sinh viên Lê Quốc Phong i TÓM TẮT Đề tài “ Nghiên cứu khả hấp phụ ion chì (Pb2+) hòa tan dung dịch xơ dừa, mùn cưa’’ thực để khảo sát, thử nghiệm khả xử lý nguồn nước ô nhiễm chì Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng yếu tố thời gian hấp phụ, hàm lượng vật liệu hấp phụ, pH dung dịch, nồng độ Pb (II) ban đầu…đến trình hấp phụ điều kiện nhiệt độ hấp phụ 300C, tốc độ lắc 200 vòng/ phút, thí nghiệm sử dụng máy lắc ổn nhiệt khảo sát ảnh hưởng yếu tố thử nghiệm khả hấp phụ điều kiện ngồi phòng thí nghiệm Kết nghiên cứu xác định thơng số tối ưu cho q trình hấp phụ như: thời gian hấp phụ 60 phút, pH dung dịch từ đến 7, lượng vật liệu hấp phụ g/L vật liệu xơ dừa 16 g/L với vật liệu mùn cưa Số liệu thí nghiệm phù hợp với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Năng lực hấp phụ chì tối đa xơ dừa 45,45 mg/g mùn cưa 18,18 mg/g; thử nghiệm điều kiện ngồi phòng thí nghiệm cho thấy sử dụng hai loại vật liệu để xử lý nguồn nước thải nhiễm chì ii SUMMARY The thesis entitled "Biosorption of lead (Pb2+) from aqueous solutions by coir and sawdust" was conducted to the survey, test the ability to handle lead-polluted water In this study the effects of contact time, adsorbent dosage, solution pH, and Pb2+concentration on the biosorption the adsorption temperature 300C, shaking speed 200 rpm were studied The experiments was conducted in thermostat shaker to examine the influence of factors test as well as the absorption capacity of the conditions outside the laboratory The results revealed the optimal parameters for the adsorption process such as equilibrium time at 60 min, solution pH to 7, the amount of adsorbent g/L for coir and 16 g/L for sawdust Langmuir model fitted the equilibrium data better than the Freudlich isotherm The monolayer biosorption capacity of the biomass was found to be 45.45 mg/g and 18.18 mg/g for coir and sawdust, respectively These materials have potential for use in the removal of lead in contaminated water Keyword: removal of lead, coir, sawdust iii MỤC LỤC Lời cám ơn i Tóm tắt ii Summary iii Mục lục iv Danh sách chữ viết tắt vii Danh sách bảng viii Danh sách hình ix Chương Mở đầu 1.1.Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nội dung đề tài Chương Tổng quan tài liệu 2.1 Sơ lược ô nhiễm kim loại nặng 2.1.1 Tình trạng nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng 2.1.2 Tác dụng sinh hóa kim loại nặng người mơi trường 2.1.3 Tính chất độc hại chì 2.2 Giới thiệu phương pháp hấp phụ 2.2.1 Các khái niệm 2.2.2 Hấp phụ môi trường nước 10 iv 2.2.3 Các mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 10 2.3 Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử 12 2.4 Sơ lược xơ dừa, mùn cưa 13 2.4.1 Sản lượng dừa, xơ dừa số ứng dụng 13 2.4.2 Mùn cưa số ứng dụng 14 2.4.3 Một số nghiên cứu sử dụng mùn cưa, xơ dừa xử lý nước thải 14 2.4.3.1 Nghiên cứu nước 14 2.4.3.2 Nghiên cứu nước 15 Chương Vật liệu phương pháp nghiên cứu 16 3.1 Thời gian địa điểm thực 16 3.2 Thiết bị 16 3.3 Hóa chất, vật liệu 16 3.4 Chuẩn bị dung dịch hóa chất thí nghiệm 16 3.5 Phương pháp nghiên cứu 17 3.5.1 Xử lý vật liệu thí nghiệm 17 3.5.2.Khảo sát pH vật liệu xơ dừa, mùn cưa 18 3.5.3.Ảnh hưởng thời gian hấp phụ 18 3.5.3.1 Thí nghiệm 18 3.5.3.2 Thí nghiệm 19 3.5.4 Ảnh hưởng khối lượng VLHP 20 v 3.5.4.1 Thí nghiệm 20 3.5.4.2 Thí nghiệm 20 3.5.5 Thí nghiệm 21 3.5.6 Thí nghiệm 21 3.5.7 Khảo sát hấp phụ ngồi phòng thí nghiệm 22 3.5.7 Xây dựng mô hình thử nghiệm 22 3.5.7.2 Thử nghiệm mơ hình thiết kế 25 Chương Kết thảo luận 26 4.1 Giá trị pH vật liệu 26 4.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ Pb2+ vật liệu hấp phụ 26 4.3 Ảnh hưởng hàm lượng VLHP đến khả hấp phụ 29 4.4 Ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ 31 4.5 Ảnh hưởng nồng độ Pb2+ ban đầu dung dịch đến khả hấp phụ 36 4.6 Kết thực nghiệm 43 Chương Kết luận đề nghị 44 5.1 Kết luận 44 5.2 Đề nghị 44 Tài liệu tham khảo 45 Tài liệu tiếng việt 45 Tài liệu tiếng nước 46 Phụ lục 47 vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CTHH Cơng thức hóa học TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VLHP Vật liệu hấp phụ AAS Atomic Absorption Spectrometry vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị giới hạn nồng độ chất ô nhiễm nước thải công nghiệp Bảng 2.2 Sản lượng dừa quốc gia quy trái 13 Bảng 4.1 Giá trị pH vật liệu thí nghiệm 26 Bảng 4.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ xơ dừa 26 Bảng 4.3 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ mun cưa 28 Bảng 4.4 Ảnh hưởng hàm lượng VLHP đến khả hấp phụ xơ dừa 29 Bảng 4.5 Ảnh hưởng hàm lượng VLHP đến khả hấp phụ mùn cưa 30 Bảng 4.6 Giá trị pH dung dịch trước sau hấp phụ 32 Bảng 4.7 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ xơ dừa 32 Bảng 4.8 Giá trị pH dung dịch trước sau hấp phụ 34 Bảng 4.9 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ mùn cưa 34 Bảng 4.10 Ảnh hưởng nồng độ Pb2+ ban đầu đến khả hấp phụ VLHP 36 Bảng 4.11 Bảng tóm tắt thơng số hai mơ hình 42 Bảng 4.12 Kết thử nghiệm điều kiện phòng thí nghiệm 43 viii Kết thí nghiệm ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ mùn cưa tóm tắt bảng đây: Bảng 4.8 Giá trị pH dung dịch trước sau hấp phụ pH dung dịch pH2 pH trước hấp phụ 1,99 pH sau hấp phụ 1,83 pH3 3,01 4,05 pH4 4,02 4,81 pH5 4,99 4,87 pH6 6,01 6,92 pH7 7,04 6,44 pH8 7,99 6,57 Bảng 4.9 Ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ Pb mùn cưa pH dung dịch pH pH pH pH pH pH pH Ce (mg/L) 36,75 17,50 3,74 3,25 3,34 3,56 3,14 qe (mg/g) 1,14 2,34 3,20 3,23 3,37 3,36 3,39 34 Hiệu suất (%) 33,18 68,18 93,20 94,09 94,18 93,80 94,53 Hiệu suất (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 pH dung dịch Hình 4.7 Đồ thị thể tương quan hiệu suất hấp phụ mùn cưa pH dung dịch qe (mg/g) 3 2 pH dung dịch Hình 4.8 Đồ thị thể tương quan lượng Pb lưu giữ mùn cưa pH dung dịch Khi pH dung dịch thấp, dung dịch nồng độ ion H+ cao, chúng cạnh tranh với ion Pb2+ dung dịch nên giá trị pH thấp ta thấy hiệu q trình hấp phụ khơng cao Theo kết trên, ta thấy khoảng pH dung dịch từ đến khả 35 hấp phụ ion Pb2+ vật liệu hấp phụ tốt hiệu suất hấp phụ không thay đổi nhiều giá trị pH, khoảng pH khả hấp phụ xơ dừa tốt mùn cưa Như vậy, ta dùng giá trị pH từ đến để khảo sát ảnh hưởng yếu tố Khi ứng dụng VLHP xử lý nước thải thực tế tiết kiệm khoảng chi phí thời gian khơng cần điều chỉnh pH nước thải (pH nước thực tế nằm khoảng từ đến 7) 4.5 Ảnh hưởng nồng độ Pb2+ ban đầu dung dịch đến khả hấp phụ Số liệu kết thí nghiệm tóm tắt bảng sau: Bảng 4.10 Ảnh hưởng nồng độ Pb2+ ban đầu dung dịch đến khả hấp phụ vật liệu hấp phụ Vật liệu C0 (mg/L) Ce (mg/L) qe (mg/g) Hiệu suất (%) 95,4 1,33 11,76 98,61 178 5,47 21,57 96,93 244 15,4 28,58 93,69 298 68,5 28,69 77,01 Xơ dừa 423 103,25 39,97 75,59 699 337,25 45,22 51,75 836 484,75 43,91 42,02 75 0,07 4,68 99,91 137 2,18 8,43 98,41 231 51,65 11,21 77,64 Mùn 331 94,55 14,78 71,44 cưa 411 167,75 15,2 59,18 624 365,5 16,16 41,43 696 396,25 18,73 43,07 Co:Nồng độPb ban đầu, Ce: Nồng độ Pb lúc cân bằng, qe: dung lượng hấp phụ thời điểm cân 36 qe (mg/g) 50 35 20 250 500 Ce/qe ( g/L ) Ce (mg/L) 12 10 a y = 0.022x + 0.290 R² = 0.995 250 500 Ce ( mg/L) Hình 4.9 Mơ hình Langmuir với VLHP xơ dừa.(a) đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir; (b) đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính 37 b qe (mg/g) 20 18 16 14 12 10 250 500 Ce (mg/L) a 25 y = 0.055x + 0.852 R² = 0.984 Ce/qe (g/l) 20 15 10 0 100 200 300 400 500 Ce (mg/L) Hình 4.10 Mơ hình Langmuir với VLHP mùn cưa.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir; (b) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính 38 b qe (mg/g) 900 600 300 0 100 200 300 400 500 Ce (mg/L) a 3.2 y = 0.209x + 2.426 R² = 0.907 logqe 2.8 2.6 2.4 2.2 0.5 1.5 2.5 logCe Hình 4.11 Mơ hình Freudlich với VLHP xơ dừa.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich; (b) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich dạng tuyến tính 39 b qe (mg/g) 400 200 0 250 500 Ce (mg/L) a 2.7 2.5 logqe 2.3 2.1 y = 0.149x + 2.149 R² = 0.976 1.9 1.7 1.5 -2 -1 logCe b Hình 4.12 Mơ hình Freudlich với VLHP mùn cưa.(a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich; (b) Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich dạng tuyến tính Dựa vào số liệu thực nghiệm biểu đồ thể cho mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ, ta thấy mơ hình đẳng nhiệt Langmuir mơ tả tốt hấp phụ xơ dừa mùn cưa ion Pb2+ Phương trình Langmuir biễu diễn dạng phương trình đường thẳng: 40 1 𝐶𝐶𝑒𝑒 = 𝐶𝐶𝑒𝑒 + 𝑞𝑞𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑞𝑞𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 b q Trong đó: q: dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g) qmax: dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) b: số Langmuir Vậy đường đẳng nhiệt hấp phụ vật liệu hấp phụ xơ dừa có dạng: 𝐶𝐶𝑒𝑒 𝑞𝑞 𝑒𝑒 Như vậy, ta có: = 0,022 Ce + 0,290 qmax = 45,45mg/g b = 0,076 Vậy dung lượng hấp phụ tối đa xơ dừa: 45,45mg/g Đường đẳng nhiệt hấp phụ vật liệu hấp phụ mùn cưa có dạng: 𝐶𝐶𝑒𝑒 𝑞𝑞 𝑒𝑒 Như vậy, ta có: = 0,055 Ce + 0,852 qmax = 18,18mg/g b = 0,065 Vậy dung lượng hấp phụ tối đa mùn cưa: 18,18mg/g Mơ hình Freundlich dạng phương trình đường thẳng: Trong đó: 𝑙𝑙𝑙𝑙qe = lgk + lg𝐶𝐶 n 𝑒𝑒 K: hệ số Freundlich 41 qe: dung lượng hấp phụ bề mặt thời điểm cân (mg/g) Ce: nồng độ dung dịch lúc cân (mg/l) Vậy đường đẳng nhiệt hấp phụ Feundlich xơ dừa có dạng: qe = 0,209 Ce + 2,426 Như vậy, ta có: k= 266,69 1/n= 0,209 Vậy đường đẳng nhiệt hấp phụ Feundlich mùn cưa có dạng: qe = 0,149 Ce + 2,149 Như vậy, ta có: k= 140,93 1/n= 0,149 Bảng 4.11 Bảng tóm tắt thơng số hai mơ hình Mơ hình Langmuir Freundlich qmax (mg/g) b R2 K 1/n R2 Xơ dừa 45,45 0,076 0,995 266,69 0,209 0,907 Mùn cưa 18,18 0,065 0,984 140,93 0,149 0,976 VLHP Dựa vào số liệu thực nghiệm biểu đồ thể cho mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ, cho thấy mơ hình đẳng nhiệt Langmuir mô tả tốt hấp phụ xơ dừa mùn cưa ion Pb2+ 42 4.6 Kết thực nghiệm Kết thử nghiệm khả xử lý nguồn nước nhiễm chì thể bảng số liệu đây: Bảng 4.12 Kết thử nghiệm điều kiện ngồi phòng thí nghiệm Vật liệu Nước đầu vào (mg/L) Lần thử nghiệm Lần Không sử dụng VLHP Xơ dừa Mùn cưa 45,5 45,5 45,5 Nước đầu (mg/L) 13,13 Lần 21,63 Lần 29,25 Lần Lần Lần Lần 0,21 0,11 0,12 0,03 Lần 0,08 Lần 0,18 Với thử nghiệm có sử dụng vật liệu hấp phụ ta thấy hiệu xử lý tốt so với thử nghiệm không dùng vật liệu hấp phụ Với nghiệm thức không sử dụng vật liệu hấp phụ, nồng độ Pb (II) nước đầu cao, chưa đạt tiêu chuẩn nước thải môi trường, với nghiệm thức sử dụng vật liệu hấp phụ xơ dừa, mùn cưa nước đầu đạt tiêu chuẩn nước thải loại A (≤ 0,1 mg/L) loại B (≥ 0,1mg/L ≤ 0,5 mg/L ), đạt yêu cầu nước thải phép thải ngồi mơi trường 43 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Nghiên cứu cho thấy hai loại vật liệu xơ dừa mùn cưa có khả xử lý tốt nguồn nước nhiễm Pb Nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu ảnh hưởng đến trình hấp phụ ion Pb dung dịch vật liệu hấp phụ pH dung dịch 5-7, thời gian tiếp xúc 60 phút, hàm lượng xơ dừa g/L, hàm lượng mùn cưa 16 g/L xác định dung lượng hấp phụ tối đa xơ dừa 45,45 mg/g mùn cưa 18,18 mg/g 5.2 Đề nghị Nghiên cứu đề tài làm sở để thực thử nghiệm nhằm khảo sát khả xử lý nguồn nước nhiễm Pb (II) thực tế nguồn nước thải nhà máy sản xuất pin, acquy, luyện kim… Qua kết nghiên cứu khả xử lý nguồn nước nhiễm Pb tự tạo cho thấy khả hấp phụ vật liệu hấp phụ tốt, sử dụng việc xử lý loại nước thải nhiễm ion Pb (II) nước thải nhà máy luyện kim, sản xuất pin acquy… Trong trình hấp phụ đạt hiệu xử lý tốt mặt cảm quan vật liệu hấp phụ tạo màu nâu hay vàng đậm nên thiết kế thêm lớp than hoạt tính hay tìm phương pháp để xử lý vấn đề nghiên cứu để đạt hiệu xử lý tốt ứng dụng xử lý nước thải 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Minh Thư 2009 Ứng dụng xơ dưa STINFO Nguyễn Thị Thanh Tú 2010 Nghiên cứu khả hấp phụ metyl đỏ dung dịch nước vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía thử nghiệm xử lý môi trường Luận văn Thạc sĩ Hóa học Trường Đại học sư phạm-Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thùy Dương 2008 Nghiên cứu khả hấp phụ số ion kim loại nặng vật liệu hấp phụ chế tạo từ vỏ lạc thăm dò xử lý mơi trường Luận văn Thạc sĩ Hóa học Trường Đại học sư phạm-Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Niệm, Mai Trọng Tú, Bùi Hữu Việt, Nguyễn Anh Tuấn, 2008 Đặc điểm địa hóa tác hại sức khỏe cộng đồng nguyên tố chì (Pb) mơi trường Việt Nam Tạp chí địa chất số 309, 11 – 12 Nhan Hồng Quan 2009 Xử lý nước thải mạ điện chrome vật liệu biomass Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ, Đại Học Đà Nẵng – Số 3(32) Lê Thanh Hưng, Phạm Thành Quân, Lê Minh Tâm, Nguyễn Xuân Thơm 2008 Nghiên cứu khả hấp phụ trao đổi ion xơ dừa vỏ trấu biến tính Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 11, số 08 Phạm Luận, 2006 Phương pháp phân tích phổ nguyên tử Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Võ Văn Long, 2010 Tình Hình Sản Xuất Và Tiêu Thụ Dừa Trên Thế Giới, Việt Nam Theo Xu Thế Phát Triển, Viện Nghiên cứu Dầu Cây có dầu Vũ Quang Tùng, 2009 Nghiên Cứu Khả Năng Tách Loại Và Thu Hồi Số Kim Loại Nặng Trong Dung Dịch Nước Bằng Vật Liệu Hấp Phụ Chế Tạo Từ Vỏ Lạc Luận văn Thạc sĩ Hóa học Đại học Thái Nguyên 45 Tài liệu tiếng nước 10 Argun M.E., Dursun S., Ozdemir C., Karatas M., 2007 Heavy metal adsorption by modified oak sawdust:Thermodynamics and kinetics Journal of Hazardous Materials 141, 77–85 11 Meshragi M.A., Ibrahim H.G., and Aboabboud M.M., 2008 Equilibrium and Kinetics of Chromium Adsorption on Cement Kiln Dust WCECS 2008, October 22 – 24 12 Nhapi, Banadda N., Murenzi R., Sekomo C.B and Wali U.G., 2011 Removal of Heavy Metals from Industrial Wastewater Using Rice Husks The Open Environmental Engineering Journal, 4, 170-180 13 Osman H.E., Badwy R.K., Ahmad H.F., 2010 Usage of some agricult by-products in the removal of some heavy metals from industrial wastewater Journal of Phytology, 2(3), 51–62 46 PHỤ LỤC Hình Quá trình lắc Hình Lọc dung dịch sau lắc Hình Dung dịch sau lọc 47 Hình Lớp đá mi Hình Hệ thống van ống dẫn nước Hình Bồn chứa bồn điều áp Hình Mẫu thử nghiệm ngồi Hình Đun mẫu phòng thí nghiệm 48 ... chì ii SUMMARY The thesis entitled "Biosorption of lead (Pb2+) from aqueous solutions by coir and sawdust" was conducted to the survey, test the ability to handle lead-polluted water In this study... sawdust, respectively These materials have potential for use in the removal of lead in contaminated water Keyword: removal of lead, coir, sawdust iii MỤC LỤC Lời cám ơn i Tóm tắt ... TRONG DUNG DỊCH BẰNG XƠ DỪA, MÙN CƯA Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực ThS HUỲNH VĨNH KHANG LÊ QUỐC PHONG KS NGUYỄN MINH QUANG Tháng 07/2012 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS