Nghiên cứu khả năng hấp phụ ni (II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC NGUYỄN THỊ HẰNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni(II) CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH TỪ VỎ CÀ PHÊ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường HÀ NỘI, 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC NGUYỄN THỊ HẰNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni(II) CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH TỪ VỎ CÀ PHÊ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa Cơng nghệ - Môi trường Người hướng dẫn khoa học Th.S ĐỖ THỦY TIÊN HÀ NỘI, 2018 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới ThS Đỗ Thủy Tiên - trường ĐH sư phạm Hà Nội trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em hồn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới thầy, giáo khoa Hóa học nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập mái trường ĐH Sư phạm Hà Nội Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ln tạo điều kiện, đợng viên, giúp đỡ em q trình học tập Do điều kiện thời gian trình đợ hạn chế, nên thân khóa luận khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý thầy, giáo tồn thể bạn để khóa luận em hồn thiện Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thị Hằng LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân em, thực sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát thực nghiệm hướng dẫn khoa học ThS.Đỗ Thủy Tiên Các số liệu kết đo khóa luận trung thực, cá nhân em tiến hành thí nghiệm Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thị Hằng DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ AC Than hoạt tính (Activated carbon) IR Phương pháp phổ hồng ngoại (Infrared (IR) spectroscopy) SEM Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VLHP Vật liệu hấp phụ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 : Một số đặc điểm nguyên tố niken Bảng 1.2 : Mợt số số vật lí Niken Bảng 1.3 Giá trị giới hạn nồng độ ion kim loại Ni 2+ nước thải công nghiệp Bảng 1.4 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ Bảng 1.5 Sự khác thành phần vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk Lắk tỉnh Điện Biên 13 Bảng 3.1 Kết đo độ hấp thụ quang dung dịch Ni (II) với nồng độ khác 22 Bảng 3.2 Hiệu suất hấp phụ Ni (II) VLHP với nồng độ chất hoạt hóa HNO3 khác 23 Bảng 3.3 Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Ni (II) VLHP 27 Bảng 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả hấp phụ Ni (II) 28 Bảng 3.5 Kết khảo sát ảnh hưởng liều lượng VLHP đến khả hấp phụ Ni (II) 29 Bảng 3.6 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Ni (II) ban đầu đến hiệu suất hấp phụ VLHP 31 Bảng 3.7 Các thông số khảo sát hấp phụ Ni (II) VLHP 32 Bảng 3.8 So sánh một số chất hấp phụ sử dụng để loại bỏ ion Ni(II) nước 34 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 11 Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng đợ Ni (II) 22 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ chất hoạt hóa HNO3 đến khả hấp phụ Ni (II) VLHP 23 Hình 3.3 Kết phân tích phổ hồng IR than chưa biến tính 24 Hình 3.4 Kết phân tích phổ hồng ngoại IR than biến tính HNO3 25 Hình 3.5 Than chưa biến tính 26 Hình 3.6 Than biến tính HNO3 26 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Ni (II) VLHP 27 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả hấp phụ Ni(II) 28 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng liều lượng VLHP đến khả hấp phụ Ni (II) 30 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ đầu Ni (II) đến hiệu suất hấp phụ VLHP 31 Hình 3.11 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir VLHP Ni(II) 33 Hình 3.12 Sự phụ tḥc Ccb/q vào Ccb VLHP Ni (II) 33 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên tố niken 1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học niken 1.1.2 Công dụng niken 1.1.3 Ảnh hưởng niken 1.1.4 Các phương pháp xử lí kim loại nặng nước 1.2 Phương pháp hấp phụ 1.2.1 Các khái niệm 1.2.2 Cân hấp phụ - phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 1.3 Giới thiệu vỏ cà phê 11 1.4 Than hoạt tính (AC) cấu trúc bề mặt AC 13 1.4.1 Giới thiệu than hoạt tính 13 1.4.2 Các phương pháp sản xuất than hoạt tính 13 1.4.3 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính 15 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 17 2.1 Đối tượng nghiên cứu 17 2.2 Hóa chất dụng cụ 17 2.2.1 Hóa chất 17 2.2.2 Thiết bị nghiên cứu dụng cụ 17 2.3 Phương pháp nghiên cứu 18 2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 18 2.3.2 Phương pháp phân tích 18 2.3.3 Phương pháp thực nghiệm 18 2.3.3.1 Xây dựng đường chuẩn Ni (II) 18 2.3.3.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê 19 2.3.3.3 Thực nghiệm khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Ni(II) VLHP 20 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22 3.1 Kết xây dựng đường chuẩn xác định Ni (II) 22 3.2 Kết đánh giá khả hấp phụ Ni (II) vật liệu hấp phụ 22 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ chất hoạt hóa HNO3 đến khả hấp phụ Ni(II) 22 3.2.2 Kết đánh giá cấu trúc bề mặt vật liệu hấp phụ 24 3.3 Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Ni(II) VLHP 26 3.3.1 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Ni (II) VLHP 26 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian khuấy đến khả hấp phụ Ni (II) VLHP 27 3.3.3 Ảnh hưởng liều lượng VLHP đến khả hấp phụ Ni (II) 29 3.3.4 Ảnh hưởng nồng độ Ni (II) ban đầu đến khả hấp phụ VLHP 30 3.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội phụ đẳng nhiệt phân tử chất bị hấp phụ hấp phụ bề mặt chất hấp phụ di chuyển ngược lại, liên quan đến yếu tố thời gian tiếp xúc chất hấp phụ chất bị hấp phụ Khi thời gian hấp phụ ngắn, lượng Ni(II) hấp phụ một phần lên bề mặt than Đến thời gian kéo dài lượng chất bị hấp phụ tích tụ bề mặt chất hấp phụ nhiều, tốc độ di chuyển ngược lại vào nước lớn nên hiệu hấp phụ gần không tăng dần đạt đến trạng thái cân Kết nghiên cứu cho thấy khoảng 10÷90 phút hiệu suất hấp phụ Ni(II) tăng tương đối nhanh (từ 68,08 %÷97,75%) dần ổn định khoảng thời gian 90÷120 phút Do đó, lựa chọn thời gian tiếp xúc 90 phút để thực thí nghiệm 3.3.3 Ảnh hưởng liều lượng VLHP đến khả hấp phụ Ni (II) Hiệu suất hấp phụ VLHP nghiên cứu theo liều lượng VLHP khác với nồng độ đầu Ni (II) 25mg/l, thời gian khuấy 90 phút, môi trường pH=7 với tốc độ khuấy 120 vòng/phút, nhiệt đợ phòng thể qua Bảng 3.5 Hình 3.9 Bảng 3.5 Kết khảo sát ảnh hưởng liều lượng VLHP đến khả hấp phụ Ni (II) MK C C ẫ h o cl (3 , , , , , , H i 87 96 97 97 97 96 Khối lượng 100 98 96 94 92 90 88 86 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng liều lượng VLHP đến khả hấp phụ Ni (II) Kết thể hình 3.9 cho thấy khoảng 0,01-0,1g hiệu suất hấp phụ Ni (II) tăng chậm (87,97%÷97,09%) ổn định khoảng khối lượng VLHP 0,1- 0,4g Có thể giải thích rằng, việc tăng hiệu hấp phụ vật liệu hấp phụ Ni (II) việc tăng số lượng vị trí hấp phụ Tuy nhiên đến một giá trị định hiệu hấp phụ cực đại (nồng độ kim loại đủ cao để hấp phụ vào bề mặt AC tối đa đạt trạng thái bão hòa) việc tăng liều lượng chất hấp phụ khơng ý nghĩa Do em chọn liều lượng chất hấp phụ 0,1g (đạt 97,09%) để sử dụng cho thí nghiệm 3.3.4 Ảnh hưởng nồng độ Ni (II) ban đầu đến khả hấp phụ VLHP Hiệu suất hấp phụ VLHP nghiên cứu theo nồng độ Ni (II) ban đầu khác với khối lượng VLHP 0,1g, thời gian khuấy 90 phút, môi trường pH=7, tốc độ khuấy 120 vòng/phút, nhiệt đợ phòng thể qua Bảng 3.6 Hình 3.10 Bảng 3.6 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Ni (II) ban đầu đến hiệu suất hấp phụ VLHP M C C H ẫ o c ( 32 54 15 65 6 120 Hiệu suất hấp phụ (%) 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 2+ Nồng độ Ni (mg/l) Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ đầu Ni (II) đến hiệu suất hấp phụ VLHP Từ kết thí nghiệm cho thấy nồng đợ cao khả hấp phụ Ni (II) than giảm Ở nồng độ từ 10 mg/l hiệu suất xử lý cao giảm dần tăng nồng độ từ 20-60mg/l Điều giải thích nồng đợ Ni (II) ban đầu thấp , trung tâm hoạt đợng bề mặt VLHP chưa lấp đầy ion Ni (II) Tuy nhiên, đến một thời điểm đó, trung tâm che phủ Ni (II), khả hấp phụ vật liệu với Ni (II) giảm nhanh Bề mặt VLHP trở nên bão hòa dần Ni 2+ (II) Từ đó, ta chọn nồng đợ Ni ban đầu tối ưu đem hấp phụ 10mg/l 3.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Kết cho thấy trình hấp phụ Ni (II) VLHP chế tạo tuân theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Bảng 3.7 Các thông số khảo sát hấp phụ Ni (II) VLHP C C q C o c c 32 84 07 54 23 15 65 1 17 32 47 79 03 25 15 10 0.8 10 20 0.6 0.4 0.2 0 y = 0.0474x + 0.094 R² = 0.993 Ccb/q (g/l) 20 q (mg/g) 1.2 y = 30 10 Ccb (mg/l) 20 30 Ccb (mg/l) Hình 3.11 Đường đẳng nhiệt Hình 3.12 Sự phụ thuộc Ccb/q hấp phụ Langmuir VLHP đối vào Ccb VLHP Ni (II) với Ni(II) Từ đồ thị ta tính giá trị tải trọng hấp phụ Ni (II) cực đại số Langmuir: qm = 1 tanα KL = b×q = = 21,09 (mg/g) 0,0474 = m = 0,5 0,094×21,09 Kết cho thấy dung lượng hấp phụ Ni (II) cực đại VLPH 21,09 mg/g số Langmuir 0,5 Từ kết so sánh với loại vật liệu hấp phụ chế tạo từ nguồn nguyên liệu khác cho thấy mẫu vật liệu hấp phụ em chế tạo có khả hấp phụ Ni (II) với dung lượng hấp phụ cực đại 21,09 mg/g cao Bảng 3.8 So sánh số chất hấp phụ sử dụng để loại bỏ ion Ni(II) nước Tài D S Cu T hn T p 1T ro 2V ỏ 3T h 4T h T 5h a B 6ã m ía 7V L l i[ [ [ [ N gh KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau trình nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp với nợi dung đề tài: “Nghiên cứu khả hấp phụ Ni (II) than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê” em rút mợt số kết luận sau: Đã chế tạo VLPH từ nguyên liệu phế thải nơng nghiệp vỏ cà phê thơng qua q trình biến tính HNO3 với nồng đợ khác Đã xác định một số đặc điểm bề mặt VLHP chế tạo phổ hồng ngoại (IR) kính hiển vi điện tử quét (SEM) Các kết cho thấy VLHP chế tạo có nhiều vi lỗ, tương đối xốp Đã khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Ni(II) VLHP chọn tìm điều kiện tối ưu là: - pH=7 - Thời gian hấp phụ 90 phút - Liều lượng VLHP 0,1gam - Nồng độ Ni(II) ban đầu 10mg/l Kết cho thấy trình hấp phụ Ni (II) VLHP chế tạo tn theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với số Langmuir 0,5 Đã xác định dung lượng hấp phụ cực đại VLHP Ni(II) 21,09 mg/g, kết cao chất hấp phụ báo cáo tài liệu khác [6, 12, 21, 30] Kiến nghị: Qua nghiên cứu em kết luận sử dụng vật liệu vỏ cà phê biến tính HNO3 để hấp phụ xử lý tách niken khỏi nguồn nước bị ô nhiễm Từ kết em kiến nghị sử dụng than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê với giá thành rẻ, khả hấp phụ tương đối tốt, nên đưa vào ứng dụng xử lý nước sinh hoạt, nước thải một số ngành sản xuất dược phẩm, nước thải công nghiệp mạ kim loại… TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Bộ Tài nguyên môi trường (2011), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lí nước nước thải, Nxb Thống Kê, Hà Nợi Đặng Kim Chi (2005), Hố học mơi trường, Nxb Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Văn Đức, Hóa học phân tích, Đại học Thái Ngun, 2008 Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Phạm Đức Thắng, Vũ Thế Ninh, Phạm Ngọc Chức Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học Công ngệ Việt Nam, “Nghiên cứu khả hấp phụ Niken vật liệu Mn2O3 kích thước nanomet SiO2”,Tạp chí hóa học tháng 12 năm 2011, trang 49(6) 661-665 Vũ Thị Hậu, Trịnh Thu Nguyên, Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, “Nghiên cứu khả hấp phụ Ni(II), Cr(VI) than chế tạo từ tân sen ”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học – Tập 22, Số 4/2017 Hoàng Ngọc Hiền, Lê Hữu Thiềng, “Nghiên cứu khả hấp phụ ion Ni(II) môi trường nước vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía ứng dụng vào xử lý mơi trường”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Thái nguyên, số 2(46), tập 2, năm 2008, trang 118-121 Lê Bá Huy (chủ biên) (2000), Độc học môi trường, Nxb ĐH Quốc Gia TP.HCM Lò Văn Huynh (2002), “Nghiên cứu sử dụng than hoạt tính để loại bỏ số chất hữu môi trường nước”, Luận văn tiến sĩ Hóa học, Hà Nợi 10 Trần Thị Phương Mai (2017), “Nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng Cr (VI) than hoạt tính biến tính H3PO4 vỏ cà phê”, Đại học Sư Phạm Hà Nội 11 Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (2004), Giáo trình hóa lý tập 2, Nxb Giáo dục 12 Trần Văn Nhân, Ngơ Thị Nga, Giáo trình cơng nghệ xử lí nước thải, Nxb Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội 2002 13 Hồng Nhâm (2001), Hóa vơ tập ba, Nxb Giáo dục, Hà Nội 14 Sở Nông nghiệp Phát triển Nông thôn (2014), Báo cáo sản lượng cà phê từ năm 2009 đến năm 2013, Đắk Lắk 15 Trịnh Thị Thanh (2001), Độc học, môi trường sức khỏe người, Nxb Đại học Quốc Gia Hà Nội 16 Đặng Văn Thành, Đỗ Trà Hương, (2015) “Chế tạo than hoạt tính từ bã chè ứng dụng cho hấp phụ thuốc diệt cỏ bentazon môi trường nước”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, tập 20, số , tr 193-199 17 Phan Đình Tuấn (2016), “Nghiên cứu công nghệ xử lý số loại nước thải than hoạt tính sản xuất từ vỏ trấu”, Đại học Tài ngun Mơi trường TP.Hồ Chí Minh, Báo cáo tổng hợp kết khoa học công nghệ 18 Nguyễn Đức Vận (2004), Hóa vơ tập 2: Các kim loại điển hình, Nxb Khoa học kĩ thuật, Hà Nợi Tiếng nước ngồi: 19 Bansal R.C , Goyal M.(2005), “Activated Carbon Adsorption”, Taylor & Francis Group,USA 20 Dqbrowski A., Podkoscielny P., Hbicki Z., Baczak M (2005), “Adsorption of phenolic compounds by activated carbon, A critical review’’, Chemosphere 58, pp.1049-1070 21 G Annadurai, R.S Juang, D.J Lee, “Adsorption of heavy metals from water using banana and orange peels”, Water Sci Technol 47 (2002) 185-190 22 K Kadirvelu, P Senthilkumar, K Thamaraiselvi, V Subburam, “ Activated carbon prepared from biomass as adsorbent: elimination of Ni(II) from aqueous solution”, Bioresource Technology 81 (2002) 8790 23 Long Giang Bach , Bui Thi Phuong Quynh , Van Thi Thanh Ho , Nguyen Thi Thuong , Dinh Thi Thanh Tam , Trinh Duy Nguyen , Tran Van Thuan, “ Removal of Ni 2+ aqueous solution by adsorption onto tea waste – derived activated carbon”, Journal of Science and Technology 54 (4B) (2016) 251-259 24 Moreno, C (2000), “Changes in surface chemistry of activated carbons by wet oxidation”, Carbon, 38, pp 1995-2001 25 Marsh H., Rodriguez-Reinoso Francisco (2006), “Activated Carbon” Elsevier, Spain 26 Nadir Dizge, Bülent Keskinler , Hulusi Barlas , “Sorption of Ni(II) ions from aqueous solution by Lewatit cation-exchange resin”, Journal of Hazardous Materials 167 (2009) 915–926 27 N Boujelben, J Bouzid, Z Elouear, “Adsorption of nickel and copper onto natural iron oxide-coated sand from aqueous solution Study in single and binary systems”, J Hazard Mater.163 (2009) 376-382 28 Srivastava, S.K., Gupta, V.K., and Mohan D (1997), “Removal of lead and chromium by activated slag-a blast-furnace waste”, Journal of Environmental Engineering, 123 (5), pp 461-468 29 Tran Thi Hien, Nguyen The Vu, Pham Huu Thien, Nguyen Dinh Thanh, Phan Dinh Tuan, “Synthesis of novel magnetic adsorbents from coffee husks by hydrothermal carbonization”, Journal of Science and technology 55 (4) (2017) 526-533 30 Vimal chandra Srivastava, Indra Deo Mall, Indra Mani Mishra, “Equilibrium modelling of single and binary adsorption of cadium and nickel onto bagasse fly ash”, Chemical Engineering Journal 117 (2006) 79-91 ... học Từ lý trên, em chọn đề tài: Nghiên cứu khả hấp phụ Ni (II) than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê  Mục đích nghiên cứu Chế tạo loại than hoạt tính với chất hoạt hóa HNO3 từ vỏ cà phê. ..TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC NGUYỄN THỊ HẰNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni( II) CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH TỪ VỎ CÀ PHÊ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa Công nghệ... giá khả hấp phụ Ni (II) nước VLHP chế tạo khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới trình hấp phụ Ni (II) VLHP (pH, thời gian, khối lượng,…)  Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê