Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) của than hoạt tính biến tính bằng KOH từ vỏ cà phê (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC - - TRƯƠNG THỊ THANH NGA NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM LOẠI NẶNG Cr(VI) CỦA THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH BẰNG KOH TỪ VỎ CÀ PHÊ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa Cơng nghệ - Mơi trường Người hướng dẫn khoa học ThS ĐỖ THỦY TIÊN HÀ NỘI – 2017 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới ThS Đỗ Thủy Tiên – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội PGS TS Ngơ Kim Chi - Viện Hóa học hợp chất thiên nhiên - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 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, động viên, giúp đỡ em trình học tập Do điều kiện thời gian trình độ 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 hoàn thiện Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên thực Trương Thị Thanh Nga 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 2017 Sinh viên thực Trương Thị Thanh Nga DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt VLHP IR TN Tên đầy đủ Vật liệu hấp phụ Phương pháp phổ hồng ngoại Thí nghiệm DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số số vật lý crom Bảng 1.2: Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ .13 Bảng 1.3: Sự khác thành phần vỏ cà phê trồng tỉnh ĐakLak tỉnh Điện Biên .25 Bảng 3.1: Khả hấp phụ Cr(VI) mẫu than .30 Bảng 3.2: Khả hấp phụ ion Cr(VI) VLHP thay đổi pH dung dịch hấp phụ 32 Bảng 3.3: Khả hấp phụ ion C(VI) VLHP thay đổi thời gian khuấy 33 Bảng 3.4: Kết khảo sát lượng VLHP 35 Bảng 3.5: Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Cr(VI) đến hiệu hấp phụ VLHP 36 Bảng 3.6: Các thông số khảo sát hấp phụ Cr(VI) VLHP 38 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 15 C Hình 1.2 Sự phụ thuộc cb vào cb .15 C q Hình 3.1 Ảnh hưởng tỷ lệ ngâm tẩm KOH nhiệt cacbon hóa đến hiệu suất hấp phụ Cr(VI) 31 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng pH tới khả hấp phụ Cr(VI) VLHP .3 Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thời gian khuấy tới hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) VLHP 34 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng VLHP tới hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) 35 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ đầu Cr(VI) đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) VLHP 37 Hình 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir VLHP Cr(VI) 38 Hình 3.7 Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb Cr(VI) 38 Hình 3.8 Kết phân tích phổ hồng ngoại IR vật liệu 39 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu nguyên tố Crom 1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học crom 1.1.2 Công dụng crom 1.1.3 Ảnh hưởng crôm đến sức khỏe người an toàn hệ sinh thái 1.1.4 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng 1.2 Giới thiệu chung phương pháp hấp phụ 1.2.1 Hiện tượng hấp phụ 1.2.2 Hấp phụ môi trường nước 10 1.2.3 Cân hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 11 1.2.4 Đặc tính q trình hấp phụ 15 1.3 Than hoạt tính 16 1.3.1 Đặc tính than hoạt tính 17 1.3.2 Ảnh hưởng nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ 19 1.3.3 Biến tính bề mặt than hoạt tính 22 1.4 Vỏ cà phê .24 1.4.1 Giới thiệu vỏ cà phê .24 1.4.2 Thành phần vỏ cà phê 25 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 26 2.1 Thiết bị hóa chất 26 2.1.1 Thiết bị 26 2.1.2 Hóa chất 26 2.2 Phương pháp nghiên cứu 27 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 27 2.2.2 Phương pháp phân tích .27 2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 27 2.2.3.1 Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ nguyên liệu vỏ cà phê 27 2.2.3.2 Khảo sát khả hấp phụ ion Cr(VI) VLHP 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Kết tạo than hiệu suất hấp phụ ion kim loại Cr(VI) 30 3.2 Khả hấp phụ ion Cr(VI) VLHP 31 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ VLHP 31 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ 33 3.2.3 Khảo sát khối lượng VLHP đến hiệu suất hấp phụ 34 3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch Cr(VI) ban đầu đến hiệu suất hấp phụ 36 3.3 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ .38 3.4 Kết khảo sát số đặc điểm bề mặt VLHP điều chế 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, với phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật sống người nâng cao nhu cầu nước ngày nhiều, ô nhiễm môi trường nước xảy ngày nghiêm trọng Hầu thải sinh hoạt nước thải công nghiệp không xử lý mà thải trực tiếp vào môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt, nước ngầm, tác động xấu đến đời sống ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng Đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng, kim loại có liên quan trực tiếp đến biến đổi gen, ung thư, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường hàm lượng nhỏ (ví dụ Cr) Crom kim loại hợp chất Cr(III) thông thường không coi nguy hiểm cho sức khỏe, hợp chất Cr(VI) lại độc hại nuốt hít phải [13] Liều tử vong hợp chất Cr(VI) độc hại khoảng nửa thìa trà vật liệu Các hợp chất Cr(VI) sử dụng thuốc nhuộm sơn thuộc da, nên hợp chất thơng thường hay tìm thấy đất nước ngầm khu công nghiệp Ô nhiễm môi trường vấn đề quan tâm Cơng cơng nghiệp hóa kèm với tình trạng nhiễm ngày tăng Trong đó, nhiễm kim loại nặng thải từ ngành công nghiệp mối đe dọa sức khỏe người an toàn hệ sinh thái Việc loại trừ thành phần chứa kim loại nặng độc hại khỏi nguồn nước, đặc biệt nước thải công nghiệp mục tiêu môi trường quan trọng cần phải giải Đã có nhiều phương pháp áp dụng nhằm tách ion kim loại nặng SV: Trương Thị Thanh Nga – K39D Cử nhân Hóa Page Hiệu suất (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 0.2 0.3 0.7 0.4 0.5 0.6 Lượng VLHP (g) Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng lượng VLHP tới hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) Việc tăng hiệu hấp phụ vật liệu hấp phụ Cr(VI) việc tăng số lượng vị trí hấp phụ Tuy nhiên đến giá trị định hiệu hấp phụ cực đại việc tăng liều lượng chất hấp phụ khơng ý nghĩa Kết thể Hình 3.4 cho thấy khoảng 0.1-0.5 g hiệu suất hấp phụ Cr(VI) tăng tương đối nhanh dần ổn định khoảng khối lượng VLHP 0.5-0.6 g Do chọn liều lượng chất hấp phụ 0.5g để sử dụng cho thí nghiệm 3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch Cr(VI) ban đầu đến hiệu suất hấp phụ Hiệu suất hấp phụ VLHP nghiên cứu theo nồng độ dung dịch Cr(VI) khác với pH = 7, thời gian cân 120 phút khối lượng VLHP tối ưu 0.5g thể qua Bảng 3.5 Hình 3.5 Bảng 3.5: Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Cr(VI) đến hiệu hấp phụ VLHP Mẫu Co (mg/l) Ccb (mg/l) H% 0.173 96.526 10 0.703 92.963 20 2.205 88.974 30 6.061 79.794 40 12.126 69.684 50 19.721 60.556 Hiệu suất hấp phụ (% ) 120 100 80 60 40 20 0 10 20 30 40 50 60 Nồng độ Cr(VI) (mg/l) Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ đầu Cr(VI) đến hiệu suất hấp phụ ion Cr(VI) VLHP Kết nghiên cứu cho thấy nồng độ cao khả hấp phụ Cr(VI) than giảm Ở nồng độ từ 5-10mg/l tải trọng xử lý cao giảm dần tăng nồng độ từ 20-60mg/l Điều giải thích nồng độ Cr(VI) ban đầu thấp, trung tâm hoạt động bề mặt VLHP chưa lấp đầy bới ion Cr(VI) Do đó, nồng độ Cr(VI) tăng hiệu xử lý tăng lên Tuy nhiên, đến thời điểm đó, trung tâm che phủ Cr(VI), khả hấp phụ vật liệu với Cr(VI) giảm nhanh Bề mặt VLHP trở nên bão hòa dần Cr(VI) Qua khảo sát, VLHP hấp phụ tốt nồng độ Cr(VI) 5mg/l Đường đẳng nhiệt hấp phụ mơ hình tốn học mơ tả phân bố hàm lượng Cr(VI) nước, dựa giả định liên quan đến đồng nhất/ không đồng VLHP Qua kết số liệu thực nghiệm xử lý theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: 3.3 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Bảng 3.6: Các thông số khảo sát hấp phụ Cr(VI) VLHP Ccb (mg/l) q (mg/g) Ccb/q (g/l) 0.173693 0.965261423 0.179944 10 0.703603 1.859279322 0.378428 20 2.205016 3.558996703 0.619561 30 6.061587 4.787682525 1.26608 40 12.12612 5.57477626 2.175176 50 19.7215 6.055699482 3.256684 y = 1.132ln(x) + 2.6743 R² = 0.9877 3.5 2.5 1.5 0.5 y = 0.1548x + 0.2552 R² = 0.9971 Ccb/q (g/l) q (mg/g) Co (mg/l) 0 10 15 Ccb (mg/l) 20 25 Hình 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir VLHP 10 20 Ccb (mg/l) 30 Hình 3.7 Sự phụ thuộc Ccb/q vào Ccb Cr(VI) Cr(VI) Từ đồ thị ta tính giá trị tải trọng hấp phụ Cr(VI) cực đại số Langmuir: = = = = = 6.46 (mg/g) = 0.607 Kết cho thấy dung lượng hấp phụ Cr(VI)cực đại VLPH 6.46 mg/g số Langmuir 0.607 3.4 Kết khảo sát số đặc điểm bề mặt VLHP điều chế Hình 3.8 Kết phân tch phổ hồng ngoại IR vật liệu Từ kết phổ hồng ngoại cho thấy than biến tính KOH -1 -1 tồn liên kết: -OH (3629.55 cm , 3649.75 cm ), =C-H (1648.23 -1 cm , -1 -1 1654.94 cm ), C-H (1400.49 cm ),… Như trình ngâm tẩm vật liệu dung dịch KOH làm hoạt hóa nhóm chức bề mặt vật liệu, dựa vào thay đổi số sóng pic bề rộng độ mạnh pic Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau q trình nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp với nội dung đề tài: “Nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) than hoạt tính biến tính KOH từ vỏ cà phê”, em rút số kết luận sau: Đã chế tạo VLPH từ nguồn nguyên liệu phế thải nơng nghiệp vỏ cà phê qua q trình biến tính KOH Đã khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ VLHP: o - Khảo sát nhiệt độ nung từ 700-900 C tỷ lệ ngâm tẩm KOH 1:2 o 1:4, kết thấy nung 800 C tối ưu với tỷ lệ ngâm tẩm vỏ cà phê : KOH 1:2, thời gian nung 30 phút, cho hiệu hấp phụ cao - Khảo sát cho thấy pH hấp phụ tối ưu pH=7 - Khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ 120 phút - Khảo sát liều lượng hấp phụ tối ưu 0.5gram - Khảo sát nồng độ Cr(VI) ban đầu tối ưu đem hấp phụ 5mg/l Mô tả q trình hấp phụ theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir xác định dung lượng hấp phụ cực đại VLHP Cr(VI) 6.46 mg/g Kết phân tích phổ hồng ngoại IR VLHP cho thấy VLHP có khả hấp phụ tốt Kiến nghị: Với làm khóa luận này, em hy vọng đề tài hữu ích cho việc áp dụng xử lý mẫu nước thải chứa ion Cr(VI) Qua nghiên cứu em đưa kết luận sử dụng vật liệu vỏ cà phê biến tính KOH để hấp phụ xử lý tách Crom khỏi nguồn nước bị ô nhiễm Từ kết em kiến nghị sử dụng than hoạt tính biến tính vỏ cà phê để xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng đặc biệt cho nước uống, nước thải công nghiệp mạ điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: Nguyễn Dương Tuấn Anh, Nguyễn Văn Dục, “Ô nhiễm nước kim loại nặng khu vực cơng nghiệp Thượng Đình”, Tạp chí khoa học, Đại học quốc gia Hà Nội Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật lí nước nước thải, Nxb Thống Kê Lò Văn Huynh (2002), “Nghiên cứu sử dụng than hoạt tnh để loại bỏ số chất hữu môi trường nước”, Luận văn tiến sĩ Hóa học, Hà Nội Hồng Nhâm (2003), Hố học vô tập 3, Nxb Giáo dục Trần Văn Nhân, Ngơ Thị Nga (2005), Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế (2004), Giáo trình hóa lý tập 2, Nxb Giáo dục Sở Nông nghiệp Phát triển Nông thôn (2014), Báo cáo sản lượng cà phê từ năm 2009 đến năm 2013, Đắk Lắk Ngô Thị Trang (2010), Nghiên cứu ác định dạng Crom nước trầm tch phương pháp hóa lí đại, Luận văn thạc sĩ Hóa học, Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Thái Nguyên Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học, Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội 10 Nguyễn Đức Vận (2004), Hóa vơ tập 2: Các kim loại điển hình, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng nước ngoài: 11 Dqbrowski A., Podkoscielny P., Hbicki Z., Baczak M (2005), “Adsorption of phenolic compounds by activated carbon, a critical review,’’ Chemosphere, 58, pp.1049-1070 12 Moreno C (2000), “Changes in surface chemistry of activated carbons by wet oxidation”, Carbon, 38, pp.1995–2001 13 Donald G., Barceloux G (1999), “Chromium”, Clinical Toxicology 37 (2): 173– 194 14 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 13791389 15 Selvaraj, K., Manonmani, S and Patabhi, S (2003), “Removal of hexavalent chromium using distillery sludge,” Bioresource Technology, vol 89, no 2, pp 207– 211 16 Selvi, K., Patabi, S., Kaadirvelu, K.K (2001) “Removal of Cr 6+ from aqueous solution by adsorption onto activated carbon”, Bioresour Technol, 80, pp 87– 90 17 Dakiky, M., Khamis, M., Manassra, A., Mereb, M (2002) “Selective adsorption of chromium(VI) in industrial wastewater using low-cost abundantly available adsorbents”, Adv Environ Res, 6, pp 533–540 18 Tailuan Nguyen, Andrew D Suton, Marcin Brynda, James C Fetinger, Gary J Long, Philip P Power (2005), "Synthesis of a Stable Compound with Fivefold Bonding Between Two Chromium(VI) Centers", Science, vol 310, no 5749, pp 796-797 19 Paraskeva P., Kalderis D., Diamadopoulos E 2008, “Production of Aativated Carbon from Agricultural Technol Biotechnol, 83, pp.581-592 by Products’’, J.Chem 20 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 21 Baral, S.S., Das, S.N., Rath, P (2006), “Hexavalent chromium removal from aqueous solution by adsorption on treated sawdust”, Biochem Eng J, 31, 222 pp.216– 22 Babel, S., Kurniawan, T.A (2004), “Cr 6+ removal from synthetic wastewater using coconut shell charcoal and commercial activated carbon modified with oxidizing agents and/or chitosan”, Chemosphere, 54, pp.951– 967 23 Dubey, S.P., Gopal, K (2007),“Adsorption of chromium (VI) on low cost adsorbents derived from agricultural waste material: a comparative study”, J Hazard Mater, 145, pp.465–470 24 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”, pp.315- Journal of Hazardous Materials, 141, 319.16 25 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, vol 123, no 5, pp 461– 468 26 Park Geun II, Lee Jae Kwang, Ryu Seung Kon, Kim Joon Hyung (2002), “Efect of Two-step Surface Modification of Activated Carbon on the Adsorpotion Characteristics of Metal Ions in Wastewater”, Carbon Science, Vol 3(4), pp 219-225 ... hoạt tính biến tính điều kiện khác - Nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) VLHP chế tạo Nội dung nghiên cứu - Chế tạo vật liệu hấp phụ vỏ cà phê - Khảo sát điều kiện tạo than hoạt tính. .. cất, vỏ trấu, mùn cưa, xỉ lò cao, … [11],[16] Vì vậy, em lựa chọn đề tài: Nghiên cứu khả hấp phụ kim loại nặng Cr(VI) than hoạt tính biến tính KOH từ vỏ cà phê Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo than. .. liệu vỏ cà phê 27 2.2.3.2 Khảo sát khả hấp phụ ion Cr(VI) VLHP 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Kết tạo than hiệu suất hấp phụ ion kim loại Cr(VI) 30 3.2 Khả hấp phụ ion Cr(VI)