Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của luận án xác định khả năng và các điều kiện tối ưu để chuyển hoá đá ong thành chất hấp thu, có thể sử dụng để làm sạch môi trường và ứng dụng trong phân tích để xác định các kim loại nặng kết hợp với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử.
1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -*** - NGÔ THỊ MAI VIỆT NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HẤP THU CỦA ĐÁ ONG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH CÁC KIM LOẠI NẶNG Chuyên ngành: Hoá Phân tích Mã số: 62.44.29.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỐ HỌC HÀ NỘI – 2010 Cơng trình hồn thành tại: Khoa Hố học, Trường Đại học KHTN – ĐHQG Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: - GS TS Trần Tứ Hiếu - PGS TS Phạm Luận Phản biện: 1, GS TSKH Trịnh Xuân Giản 2, PGS TS Bùi Long Biên 3, PGS TS NguyễnXuân Trung Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước, họp Khoa Hoá học, Trường Đại học KHTN, Đại học Quốc gia Hà Nội Vào hồi ngày 23 tháng 12 năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án : - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Thư viện, ĐHQG Hà Nội PHẦN I: MỞ ĐẦU * Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, với phát triển mạnh mẽ không ngừng sản xuất công nghiệp nông nghiệp, sống người ngày nâng cao Theo đó, mơi trường bị nhiễm nghiêm trọng, có ô nhiễm kim loại nặng Các kim loại nặng (Cu, Pb, Cd, Co, Hg…) xâm nhập vào thể gây độc hại cho sức khoẻ người Bởi vậy, việc phân tích hàm lượng chúng đối tượng mơi trường, để từ đánh giá chất lượng môi trường việc làm cần thiết Hàm lượng kim loại nặng có nước thường nhỏ, khó xác định trực tiếp chúng thiết bị phân tích đại, phí phân tích tốn Vì lẽ đó, cần nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích kim loại nặng phương pháp làm giàu sử dụng nguồn vật liệu đạt hiệu cao, đơn giản, dễ thực đặc biệt phải kinh tế Bởi vậy, vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên với giá thành rẻ thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Đá tổ ong (thường gọi đá ong, tên tiếng Anh laterite) nguồn khoáng liệu phổ biến Việt Nam có tính hấp phụ vì: độ xốp tương đối cao, bề mặt riêng lớn, việc nghiên cứu, ứng dụng chuyển hoá đá ong thành vật liệu hấp phụ chưa nghiên cứu nhiều Chính vậy, việc chuyển hố đá ong thành chất hấp phụ có ý nghĩa đặc biệt khoa học kinh tế, vừa tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên sẵn có, vừa tạo vật liệu có ứng dụng phân tích xử lí mơi trường Xuất phát từ ý nghĩa quan trọng đó, chúng tơi chọn đề tài luận án là: “Nghiên cứu tính chất hấp thu đá ong khả ứng dụng phân tích xác định kim loại nặng” Mục tiêu luận án là: xác định khả điều kiện tối ưu để chuyển hố đá ong thành chất hấp thu, sử dụng để làm môi trường ứng dụng phân tích để xác định kim loại nặng kết hợp với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử * Những điểm luận án Đã nghiên cứu cách có hệ thống thành phần cấu trúc đá ong tự nhiên Thạch Thất, Hà Nội phương pháp hoá học hố lý đại Đã biến tính đá ong tự nhiên thành vật liệu hấp thu ion kim loại nặng nhiều phương pháp, từ đề xuất quy trình biến tính đá ong thành vật liệu hấp thu ion kim loại nặng Đã xác định dung lượng hấp thu ion kim loại Cu, Pb, Cd, Co Ni đá ong tự nhiên vật liệu hấp thu đá ong biến tính Đã sử dụng vật liệu hấp thu đá ong biến tính có gia thêm đất xeri (vật liệu M6) làm cột chiết pha rắn để xác định ion kim loại Cu, Pb, Cd, Co Ni mẫu nước (nước hồ, nước máy nước thải công nghiệp) * Bố cục luận án Luận án gồm 106 trang, 37 bảng biểu, 32 hình vẽ 93 tài liệu tham khảo Bố cục luận án sau: Phần I: Mở đầu Phần II: Nội dung luận án Chương 1: Tổng quan tài liệu Chương 2: Mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 3: Thực nghiệm, kết thảo luận Phần III: Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục PHẦN II: NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương 1: Tổng quan tài liệu Chương trình bày 32 trang, giới thiệu chung vật liệu hấp phụ, đặc biệt vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên, giới thiệu vật liệu đá ong vật liệu mà nghiên cứu, giới thiệu số kim loại nặng độc tính chúng Tiếp tổng kết phương pháp dùng để phân tích kim loại nặng như: phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp phân tích quang phổ nhóm phương pháp sắc kí Cuối tổng kết phương pháp tách làm giàu kim loại nặng Chương 2: Mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1, Nghiên cứu tính chất hấp thu đá ong đồng thời nghiên cứu biến tính đá ong để tăng khả hấp thu chúng 2, Xác định số đặc trưng vật lý hấp thu đá ong tự nhiên mẫu đá ong biến tính 3, Xác định dung lượng hấp thu ion kim loại nặng đá ong trước sau biến tính 4, Nghiên cứu khả ứng dụng đá ong biến tính sử dụng để làm giàu xác định ion kim loại nặng; xử lý nước… 2.2 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, luận án thực nội dung nghiên cứu cụ thể sau: 1, Biến tính cách làm tăng độ xốp gắn nhóm chức hoạt động lên bề mặt đá ong tự nhiên, nhằm mục đích tăng dung lượng hấp thu tăng độ bền vật liệu 2, Đề xuất quy trình biến tính đá ong tự nhiên thành chất hấp thu xác định dung lượng hấp thu ion kim loại nặng vật liệu 3, Phân tích thành phần, cấu trúc đá ong tự nhiên đá ong biến tính phương pháp vật lý hố lý đại SEM, BET, XRD 4, Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thu ion kim loại nặng mẫu đá ong biến tính theo phương pháp tĩnh, xử lý số liệu thực nghiệm theo phương trình Langmuir phương trình Freundlich Từ kết chọn mẫu vật liệu tốt để sử dụng làm cột chiết pha rắn 5, Sử dụng cột chiết pha rắn mẫu vật liệu lựa chọn để nghiên cứu khả hấp thu ion kim loại nặng theo phương pháp động, từ ứng dụng cột chiết pha rắn để làm giàu xác định lượng vết ion kim loại nặng số nguồn nước 2.3 Phương pháp nghiên cứu Trong luận án, sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: * Phương pháp phân tích thành phần hố học * Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, bao gồm: phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM); phương pháp phân tích nhiệt; phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD); phương pháp phổ hồng ngoại (IR); phương pháp xác định điện tích bề mặt… Sự hấp thu ion kim loại vật liệu đá ong biến tính nghiên cứu hai phương pháp tĩnh động Để xác định hàm lượng chất hấp thu, sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 2.4 Hố chất, thiết bị dụng cụ thí nghiệm Trang thiết bị máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AA – 6800, Shimadzu, Nhật Bản Máy phân tích nhiệt, máy quang phổ hồng ngoại, máy nhiễu xạ tia X… Trang thiết bị phụ trợ Dụng cụ hoá chất chủ yếu Chương 3: Thực nghiệm, kết thảo luận 3.1 Khảo sát đá ong tự nhiên Đá ong tự nhiên lấy huyện Thạch Thất, Hà Nội Rửa đá ong ngâm dung dịch EDTA 0,005M 24 Tiếp theo, tiến hành lọc rửa đá ong nước cất nhiều lần, sau sấy khơ 1100C Đá ong sấy khơ nghiền rây lấy kích thước hạt khác (0,2 – 0,6mm nhỏ 0,2mm) Loại đá ong kí hiệu M0, gọi đá ong thô bảo quản lọ PE sạch, đậy kín Thành phần hóa học, tính chất hóa lý khả hấp thu đá ong tự nhiên kết hợp nghiên cứu với đá ong biến tính 3.2 Biến tính đá ong tự nhiên thành chất hấp thu Mục đích việc biến tính đá ong tự nhiên tăng độ xốp gắn tâm hoạt động photphat, silicat lên bề mặt vật liệu để làm tăng khả hấp thu vật liệu Với mục đích đó, chúng tơi biến tính đá ong tự nhiên theo cách sau Trong luận án, chúng tơi trình bày đầy đủ cách biến tính đá ong chất biến tính khác tổng hợp số vật liệu từ hóa chất tinh khiết để so sánh Chúng biến tính đá ong chất hoạt động bề mặt Trilon (vật liệu M1) CTAB - Cetyl trimetylammoni bromua (vật liệu M2) Nhóm vật liệu đá ong biến tính M3, M4, M5 biến tính dung dịch muối sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat Nhóm vật liệu M6, M7, M8 M9 biến tính dung dịch muối kết hợp với đất xeri Các mẫu vật liệu M3(0) M4(0) tổng hợp từ hoá chất tinh khiết là: dung dịch sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat Các mẫu M5(0) M6(0) tổng hợp từ dung dịch sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat đất xeri 3.3 Nghiên cứu thành phần, cấu trúc khả hấp phụ đá ong tự nhiên đá ong biến tính 3.3.1 Nghiên cứu thành phần Kết phân tích thành phần số ngun tố có mẫu vật liệu trình bày bảng 3.1 4 Bảng 3.1 Thành phần số nguyên tố mẫu vật liệu tích Nguyê n tố Kết phân Hàm lượng (%) Si M0 7,94 28,0 3,64 P 0,24 2,33 4,71 5,75 3,04 3,90 2,10 2,55 Ce - - - 11,92 - 5,37 3,02 6,17 Al Fe M3(0) M4(0) M5(0) - - - 24,97 25,03 16,28 3,94 5,83 7,87 M4 2,81 26,1 6,22 M6 3,18 22,4 4,29 M7 4,07 35,0 2,45 M8 5,30 30,2 1,60 thành phần nguyên tố có vật liệu cho thấy: Tất mẫu đá ong biến tính có thành phần Al thấp so với mẫu đá ong tự nhiên, nguyên tố không xuất mẫu tổng hợp từ hóa chất tinh khiết (M3(0), M4(0) M5(0)) + Hàm lượng Fe chiếm tỉ lệ cao tất mẫu Thành phần Si P hầu hết mẫu vật liệu đá ong biến tính lớn mẫu đá ong tự nhiên + Chỉ mẫu có thêm đất biến tính thấy xuất Ce thành phần (M5(0), M6, M7 M8) 3.3.2 Nghiên cứu cấu trúc đá ong tự nhiên đá ong biến tính 3.3.2.1 Chụp ảnh bề mặt vật liệu Ảnh chụp bề mặt vật liệu kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy hầu hết mẫu đá ong biến tính có bề mặt xốp đá ong tự nhiên Hình 3.1 Bề mặt laterite tự nhiên Hình 3.3 Bề mặt vật liệu M4 Hình 3.4 Bề mặt vật liệu M6 Hình 3.5 Bề mặt vật liệu M8 3.3.2.2 Phân tích đặc tính nhiệt vật liệu Giản đồ phân tích nhiệt mẫu đá ong biến tính thường xuất ba hiệu ứng nhiệt sau Hiệu ứng nhiệt thứ ứng với khoảng nhiệt độ từ 90 - 3100C tương ứng với trình tách nước vật lý khoảng lớp cấu trúc bề mặt vật liệu Ở khoảng nhiệt độ này, trọng lượng mẫu giảm từ - 17% Hiệu ứng nhiệt thứ hai xuất khoảng nhiệt độ 450 - 6000C ứng với q trình phá vỡ liên kết nhóm Si-OH mạng lưới cấu trúc ứng với chuyển pha Fe(OH)3 thành Fe2O3, dẫn tới nước hoá học vật liệu Trong khoảng nhiệt độ này, trọng lượng chất hấp phụ giảm 5% Ở nhiệt độ 6000C, trọng lượng vật liệu khơng thay đổi 5 3.3.2.3 Phân tích cấu trúc vật liệu phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (nhiễu xạ tia X) Các mẫu vật liệu đá ong biến tính (M4 M6) có cấu trúc tinh thể giống q trình biến tính tương tự (hình 3.7) M0, M4 M6 có thành phần đá ong nên xuất pic đặc trưng tinh thể SiO2 dạng quartz, tinh thể hematite Fe2O3, kaolinite Al2Si2O5(OH)4 tinh thể muscovite Riêng đá ong tự nhiên có thêm mikasaite chứa Fe2(SO4)3 Điều hồn tồn phù hợp với kết phân tích thành phần nguyên tố: M0 có hàm lượng Fe Al cao M4 M6 Như vậy, việc biến tính đá ong hồn tồn khơng làm thay đổi cấu trúc tinh thể đá ong tự nhiên Tuy vậy, bề mặt đá ong biến tính xuất kết tủa vơ định hình Fe3+ với PO43- SiO32- Phương trình phản ứng dự đốn sau: Fe 3:+ + PO43− FePO4 Fe 3:+ + 3SiO32− 5Fe 3:+ + PO 3− Fe2 ( SiO3 ) 2− + SiO + (n + 11) H O FePO4 + Fe( SiO2 ) PO4 + FeO(OH ) + Fe2O3 nH 2O + H 3+O Đây nguyên giải thích đá ong biến tính có dung lượng hấp phụ ion kim loại nặng lớn nhiều so với đá ong tự nhiên M6 M4 M0 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen M0, M4 M6 3.3.2.4 Phân tích nhóm chức hoạt động vật liệu dựa vào phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại mẫu đá ong biến tính khơng có khác biệt khác so với phổ hồng ngoại đá ong tự nhiên Các cực đại hấp thụ đá ong tự nhiên bị che khuất đỉnh hấp thụ có cường độ mạnh mẫu vật liệu đá ong biến tính Điều chứng tỏ nhóm chức bề mặt đá ong tự nhiên bị thay đổi 6 So 14 M6 KClO4 0,1M KClO4 0,01M KClO4 0,001M 12 Date: 11/25/2008 100.0 95 800.82 90 10 85 80 75 1638.24 70 541.34 470.00 65 60 55 %T 3435.14 1630.48 50 45 40 35 801.08 694.80 1384.52 3694.65 3149.99 469.75 3619.61 913.46 M0 30 25 539.18 1104.32 1032.67 20 1032.36 15 10 0.0 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 pH 1008.03 800 600 cm-1 Hình 3.10 Phổ hồng ngoại M0 M6 400.0 -2 10 12 Hình 3.12 Đồ thị xác định điện tích bề mặt vật liệu M6 Cực đại hấp thụ mạnh nhọn 1032,36cm-1; 1008,03cm-1 đá ong tự nhiên đặc trưng cho liên kết hóa trị Si-O-Si, nhiên đá ong biến tính, cực đại bị che khuất cực đại hấp thụ mạnh rộng 1032,67cm-1 đặc trưng cho liên kết hóa trị P-O-H Mặt khác, phổ hồng ngoại đá ong biến tính xuất cực đại chân rộng bước sóng 3435,14cm-1, đặc trưng cho tâm axít yếu nhóm Si–OH Cực đại hấp thụ nhóm silan Si-O-H vùng 3700cm-1 đá ong tự nhiên bị che khuất cực đại hấp thụ 3446,92cm-1 đá ong biến tính Cực đại hấp thụ 1638,24cm-1 đá ong biến tính đặc trưng cho liên kết biến dạng O-H H2O kết tinh, điều cho thấy tồn tinh thể kết tinh đá ong biến tính Việc phân tích phổ hồng ngoại phần cho thấy, q trình biến tính làm thay đổi nhóm chức bề mặt đá ong tự nhiên, làm xuất tâm hoạt động PO 34− SiO 32− bề mặt đá ong biến tính 3.3.2.5 Xác định điện tích bề mặt vật liệu Điện tích bề mặt vật liệu xác định theo phương pháp chuẩn độ điện Δv.CM F (3.3.2.5) tính theo phương trình sau: So = S.A.V Trong đó: So điện tích bề mặt (C/m2); CM nồng độ dung dịch HCl NaOH (mol/l); F số Faraday (C/mol); S diện tích bề mặt (m2/g) xác định theo phương pháp BET; A lượng chất hấp phụ dùng để chuẩn độ (g/l) Kết xác định điện tích bề mặt vật liệu cho thấy: bề mặt vật liệu tích điện dương (hình 3.12 trình bày đồ thị xác định điện tích bề mặt vật liệu điển hình M6) (Do mơi trường pH tổng hợp vật liệu biến tính đá ong mơi trường nghiên cứu trình hấp phụ ion kim loại nặng mẫu vật liệu vùng trung tính (pH = 6,0 ÷ 7,0) axit yếu (pH = 4,5 ÷ 5,5) nên dựa vào biểu thức (3.3.2.5) để tính điện tích bề mặt vật liệu ln thu kết bề mặt tích điện dương) Điều chứng tỏ chế hấp phụ ion kim loại vật liệu không đơn hấp phụ vật lý mà có hấp phụ hóa học 3.3.2.6 Xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu Diện tích bề mặt số vật liệu điển hình trình bày bảng 3.3 7 Bảng 3.3 Diện tích bề mặt vật liệu Diện tích bề mặt (S) Vật liệu M0 M5(0) M4 M6 Tính theo BET (m2/g) 94,07 136,03 94,37 105,18 Tính theo Langmuir (m2/g) 122,54 194,23 67,03 143,73 Kết xác định diện tích bề mặt hai mơ hình BET Langmuir phù hợp nhau: Vật liệu đá ong tự nhiên M0 có diện tích bề mặt lớn, song kết khảo sát sơ dung lượng hấp phụ ion kim loại nặng M0 nhỏ Điều giải thích bề mặt đá ong tự nhiên trơ, chưa có trung tâm hấp phụ nên khả hấp phụ ion kim loại đá ong tựổ hồng ngoại, điện tích bề mặt diện tích bề mặt … vật liệu 3.4.4 Nghiên cứu khả hấp thu ion kim loại nặng vật liệu M6 theo phương pháp động Khi nghiên cứu khả hấp thu ion kim loại vật liệu đá ong biến tính theo phương pháp tĩnh, chúng tơi hướng tới hai mục đích: xác định 11 dung lượng hấp thu cực đại loại vật liệu bước đầu đánh giá độ bền vật liệu Từ kết tìm cách biến tính để có vật liệu tốt dùng vật liệu để nghiên cứu khả hấp thu ion kim loại theo phương pháp động Các kết nghiên cứu cho thấy vật liệu M6 (vật liệu đá ong biến tính sắt, silicat, photphat có gia thêm đất xêri) có nhiều ưu điểm Chúng sử dụng vật liệu để làm pha tĩnh cho cột chiết pha rắn tiến hành hấp thu ion kim loại theo phương pháp động cột chiết pha rắn (SPE) Sau nghiên cứu làm nhiều thí nghiệm, chúng tơi đề xuất quy trình biến tính đá ong thành vật liệu hấp thu M6 sau (hình 3.27): Đá ong tự nhiên (Thạch Thất, Hà Nội) Rửa Dung dịch Ce4+ + Fe3+ Nghiền Sấy khô Đá ong thô (M0) Dung dịch PO43- + SiO32- Khuấy Bổ sung NaOH Kết tinh thuỷ nhiệt Lọc, rửa, sấy khơ Đá ong biến tính (Vật liệu hấp thu) 12 Hình 3.27 Quy trình biến tính đá ong thành vật liệu hấp thu M6 3.4.4.1 Chuẩn bị cột chiết pha rắn từ M6 Nhồi 1,0g vật liệu M6 có kích thước hạt 0,2 ÷ 0,6mm vào cột có chiều dài 6cm, đường kính 0,5cm; làm cột nước cất lần kiểm tra xem dung dịch rửa giải cột chiết có mặt ion kim loại nghiên cứu không Kết đo phổ hấp thụ nguyên tử cho thấy dung dịch rửa giải cột chiết chế tạo từ M6 ion kim loại Cu, Pb, Cd, Co Ni 3.4.4.2 Kết nghiên cứu khả hấp thu Chuẩn bị cột hấp phụ Cho dung dịch chứa ion kim loại chảy qua cột chiết chuẩn bị với tốc độ 2,0ml/phút, sau xác định nồng độ ion kim loại khỏi cột sau đơn vị thể tích khác F-AAS Dung lượng hấp thu qe hiệu tổng lượng ion kim loại vào ion kim loại tính từ thời điểm ban đầu đến cân hấp thu * Cột 1: Cho 600ml dung dịch Cu2+ 100ppm qua cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 với tốc độ 2,0 ml/phút Sau phân đoạn thể tích 50ml, thu lấy dung dịch định lượng ion Cu2+ có phép đo F-AAS * Cột 2: Cho 1,5 lít dung dịch Pb2+ 200ppm qua cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 với tốc độ 2,0 ml/phút Sau phân đoạn thể tích 100ml, thu lấy dung dịch định lượng ion Pb2+ có phép đo F-AAS * Cột 3: Cho 1,0 lít dung dịch Cd2+ 100ppm qua cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 với tốc độ 2,0 ml/phút Sau phân đoạn thể tích 100ml, thu lấy dung dịch định lượng ion Cd2+ có phép đo F-AAS * Cột 4: Cho 800ml dung dịch Co2+ 50ppm qua cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 với tốc độ 2,0 ml/phút Sau phân đoạn thể tích 50ml, thu lấy dung dịch định lượng ion Co2+ có phép đo F-AAS * Cột 5: Cho 800ml dung dịch Co2+ 50ppm qua cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 với tốc độ 2,0 ml/phút Sau phân đoạn thể tích 50ml, thu lấy dung dịch định lượng ion Co2+ có phép đo F-AAS * Cột 6: Cho 1,5 lít dung dịch hỗn hợp gồm ion kim loại: Cu2+ 100ppm; Pb2+ 200ppm; Cd2+ 100ppm; Co2+ 50ppm Ni2+ 50ppm qua cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 với tốc độ 2,0 ml/phút Sau phân đoạn thể tích 50ml, thu lấy dung dịch định lượng ion dung dịch phép đo F-AAS Dung lượng hấp thu động ion kim loại dung dịch ion dung dịch hỗn hợp ion tóm tắt bảng 3.27 13 Bảng 3.27 Dung lượng hấp thu động Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+ Ni2+ Cu2+ Dung lượng qe Cd2+ mmol /g mg/g mmol /g 40,1 0,627 136,0 0,657 12,8 0,200 80,96 0,391 mg/ g Trong dung dịch ion Trong dung dịch hỗn hợp Pb2+ mg/g 41,88 14,84 Co2+ mmol /g 0,373 0,131 mg/g 33,33 10,37 Ni2+ mmol /g mg/g mmol /g 0,565 28,20 0,480 0,175 9,12 0,155 Như vậy, dung lượng hấp thu động ion vật liệu đá ong biến tính M6 thường nhỏ 70% so với dung lượng hấp phụ tĩnh (của Cd2+ 47,55%; Pb2+ 66,66%; Co2+ 43,26% ) Điều phù hợp với lý thuyết hấp phụ Dung lượng hấp thu bảng 3.27 dung lượng hấp thu động biểu kiến Để xác định xác dung lượng thực chạy động cần phải giải hấp ion kim loại cột SPE pha động thích hợp Do chúng tơi tiến hành nghiên cứu khả giải hấp ion kim loại khỏi cột chiết pha rắn Kết nghiên cứu trình bày mục 3.4.4.3 3.4.4.3 Nghiên cứu khả giải hấp Do vật liệu biến tính sắt đá ong nên dùng axit để giải hấp, axit có khả phá hủy vật liệu Vì EDTA có khả tạo phức tốt với kim loại Cu, Pb, Cd, Co Ni nên EDTA sử dụng để giải hấp ion kim loại khỏi cột chiết pha rắn vật liệu Sau nghiên cứu khả giải hấp ion kim loại dung dịch EDTA nồng độ: 0,001M; 0,005M 0,01M nhận thấy: dung dịch EDTA 0,01M có khả giải hấp ion kim loại tốt, pic giải hấp cân đối thể tích pha động giải hấp nhỏ (khoảng 20ml) đồng thời không ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu hấp thu M6, dung dịch EDTA 0,01M sử dụng để giải hấp ion kim loại Kết giải hấp ion kim loại dung dịch EDTA 0,01M theo phân đoạn 5ml biểu diễn đồ thị hình 3.29 3.30 50 qe(mg/g) Cu 45 Pb 40 qe(mg/g) 60 50 Cd 40 Cu 35 Pb 30 Co Cd Co Ni 30 Ni 25 20 20 15 10 10 V(ml) V(ml) 0 10 15 20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 Hình 3.29 Đồ thị giải hấp ion Hình 3.30 Đồ thị giải hấp ion kim loại dung dịch riêng kim loại dung dịch hỗn hợp 14 Đồ thị giải hấp ion kim loại cho thấy: dung dịch EDTA 0,01M dùng để giải hấp tốt ion kim loại hấp phụ vật liệu; pic giải hấp cân đối không bị kéo đuôi; cần phân đoạn ứng với thể tích 25ml giải hấp gần hoàn toàn ion kim loại (trên 95%) Từ thống kê dung lượng hấp phụ động thực Cu, Pb, Cd, Co Ni vật liệu M6 sau (bảng 3.28) Bảng 3.28 Dung lượng hấp phụ động thực Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+ Ni2+ Dung lượng qe Cu2+ mg/g mmol/ g Trong dung dịch ion 37,0 0,579 Trong dung dịch hỗn hợp 8,81 0,135 Pb2+ Cd2+ mg/g mmol/ g mg/g 117,7 0,569 38,03 79,20 0,382 10,66 mmol/ g 0,338 0,094 Co2+ mg/g 28,1 8,06 Ni2+ mmol/ g mg/g mmol/ g 0,477 25,74 0,438 0,136 7,18 0,122 Như vậy, dung lượng hấp phụ động ion Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+ Ni2+ vật liệu đá ong biến tính M6 cao tuân theo thứ tự: Pb > Cd > Cu > Co > Ni (nếu tính đơn vị dung lượng hấp phụ mg/g) Tuy nhiên, tính dung lượng hấp phụ theo đơn vị mmol/g thứ tự hấp phụ thay đổi 3.4.4.4 Phân tích mẫu giả Sau nghiên cứu khả giải hấp, sử dụng vật liệu đá ong biến tính có gia thêm đất (mẫu M6) làm pha tĩnh cho kỹ thuật chiết pha rắn để làm giàu xác định lượng vết ion kim loại Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+ Ni2+ 08 mẫu thực Nhưng trước phân tích mẫu thực, chúng tơi tiến hành phân tích mẫu giả nghiên cứu khả tái sử dụng vật liệu Chuẩn bị cột vật liệu mục 3.4.4.1 Lấy nước cất vào can nhựa thể tích 3,0 lít Thêm vào can thứ 6ml dung dịch chuẩn hỗn hợp ion Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+ Ni2+ với nồng độ ion 10ppm, nồng độ ion kim loại có mẫu giả can thứ 20ppb Tương tự vậy, thêm vào can thứ hai 15ml dung dịch chuẩn hỗn hợp ion Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+ Ni2+ 10ppm, nồng độ ion kim loại có mẫu giả can thứ hai 50ppb Để dung dịch chảy qua cột với tốc độ 2,0ml/phút sau rửa cột nước cất lần Rửa giải ion kim loại dung dịch EDTA 0,01M với tốc độ chảy 0,5ml/phút xác định nồng độ chúng sau giải hấp F-AAS Hiệu suất thu hồi tính hàm lượng ion kim loại giải hấp chia cho hàm lượng ion kim loại ban đầu: 15 H(%) = m gh m0 × 100% (3.4.4.4) Trong đó: mgh hàm lượng kim loại giải hấp (μg); mo hàm lượng kim loại ban đầu (μg) Kết phân tích mẫu giả hiệu suất thu hồi ion kim loại bảng 3.29 Bảng 3.29 Kết phân tích mẫu giả hiệu suất thu hồi Mẫu Nguyên tố Cu Pb 20ppb Cd Co Ni Cu Pb 50ppb Cd Co Ni Vban đầu (ml) 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 Vgiả i hấp mo (μg) mgh (μg) 15 60,0 52,0 200 86,7 15 60,0 55,1 200 91,9 15 60,0 51,1 200 85,1 15 60,0 51,2 200 85,3 15 60,0 52,3 200 87,1 150, 150, 150, 150, 150, 130, 137, 131, 129, 128, 100 86,7 100 91,9 100 87,5 100 86,3 100 85,7 (ml ) 30 30 30 30 30 Hệ số làm giàu (Vbanđầu/Vgiảihấp) H% Kết phân tích mẫu giả cho thấy: vùng nồng độ 50ppb hệ số làm giầu 100 lần vùng nồng độ 20ppb hệ số làm giầu tăng lên 200 lần Hiệu suất thu hồi ion kim loại cao (đều 80%) Điều cho thấy sử dụng M6 vật liệu chiết pha rắn để làm giầu lượng vết Cu, Pb, Cd, Co Ni 3.4.4.5 Khả tái sử dụng vật liệu a Khả tái sử dụng lần 16 Vật liệu sau phân tích mẫu giả rửa giải dung dịch EDTA 0,01M, sau rửa nước cất lần sấy khơ 800C Lại tiến hành thí nghiệm mục 3.4.4.4, thấy, so với vật liệu ban đầu, vật liệu tái sử dụng lần thứ có khả làm giàu kim loại tốt, hiệu suất thu hồi giảm không đáng kể (hiệu suất thu hồi kim loại đạt 78%) b Khả tái sử dụng lần hai Vật liệu sau tái sử dụng lần rửa giải dung dịch EDTA 0,01M, sau rửa nước cất lần sấy khô 800C Lại tiến hành thí nghiệm mục 3.4.4.4, chúng tơi thấy vật liệu tái sử dụng lần hai có khả làm giàu kim loại với hiệu suất thu hồi lớn (trên 75%) Như vậy, vật liệu hấp thu đá ong biến tính sử dụng phân tích để tách làm giàu ion kim loại 3.4.4.6 Phân tích mẫu thực Chúng tơi tiến hành phân tích nhóm mẫu thực Nhóm mẫu nước sông, hồ, ao (mẫu mẫu 2, lấy lít mẫu – V0); nhóm mẫu nước máy sinh hoạt (mẫu 4, lấy lít – V0); nhóm mẫu nước thải công nghiệp luyện kim sản xuất kim loại (mẫu 5, 6, 7, 8, lấy lít – V0) Tám mẫu nước nạp qua 08 cột chiết pha rắn chuẩn bị mục 3.4.4.1, để mẫu chảy qua cột với tốc độ 2,0ml/phút Khi mẫu chảy hết, tiến hành rửa cột nước cất lần, sau rửa giải ion kim loại 20ml dung dịch EDTA 0,01M (Vgiải hấp) với tốc độ chảy 0,5ml/phút xác định nồng độ ion kim loại dung dịch giải hấp F-AAS Kết phân tích mẫu thực sau làm giàu cột chiết pha rắn chế tạo từ M6 bảng 3.32 Bảng 3.32 Kết xác định mẫu thực sau làm giàu SPE Cu Hệ số làm giàu (lần) Pb Cd C trước làm giàu Vo/Vg h C sau làm giàu (ppm ) C trước làm giàu (ppb ) 200 1,21 6,0 1,08 5,4 - 200 1,41 7,0 1,36 6,8 200 0,22 1,1 0,44 200 2,50 12,5 - 100 1,30 13,0 0,76 Mẫu C sau làm giàu (ppm ) C sau làm giàu C trước làm giàu (ppb ) C sau làm giàu Ni C trước làm giàu C sau làm giàu (ppm ) C trước làm giàu (ppm ) (ppb) - - - 1,41 7,1 0,10 0,5 - - 0,84 4,2 2,2 - - - - 0,41 2,1 - 0,16 0,8 - - 0,59 3,0 7,6 - - - - 0,17 1,7 (ppb ) (ppm ) Co (ppb ) 17 100 3,15 31,5 7,02 70,2 - - - - 1,95 19,5 100 0,29 2,9 6,62 66,2 0,37 3,7 - - 0,85 8,6 100 19,3 193, 39,5 395, 2,00 20,0 0,65 6,50 6,00 60,0 Ghi chú: Dấu (-) hàm lượng nhỏ, không phát AAS c So sánh kết phân tích mẫu thực với phương pháp ICP-MS Phương pháp ICP-MS phương pháp đại dùng để phân tích lượng vết ion kim loại Phương pháp có độ nhạy độ xác cao Để đánh giá độ kỹ thuật chiết pha rắn SPE sử dụng cột chiết làm từ vật liệu M6 kết hợp với phép đo F-AAS, tiến hành so sánh kết phân tích với phương pháp ICP-MS Kết so sánh hai phương pháp phân tích mẫu thực (bảng 3.33) cho thấy sử dụng vật liệu đá ong biến tính M6 làm pha tĩnh kĩ thuật chiết pha rắn, kết hợp với phép đo phổ hấp thụ nguyên tử lửa cho kết có độ xác cao với cấp hàm lượng ppb với sai số nhỏ 15% Như vật liệu đá ong biến tính M6 phương pháp F-AAS sử dụng chất chiết pha rắn M6 thích hợp cho việc phân tích ion kim loại nêu cấp hàm lượng ppb mẫu nước Bảng 3.33 Kết phân tích mẫu nước phương pháp nghiên cứu (SPE/F-AAS) phương pháp ICP-MS Nguyên tố Mẫu Hàm lượng (ppb) Sai lệch tương đối (%) SPE/F-AAS ICP-MS phương pháp 6,1 5,9 2,8 7,0 6,7 3,3 1,1 1,0 7,3 12,5 12,5 -0,5 13,0 12,8 1,5 31,5 30,0 4,7 2,9 3,0 -3,5 193,2 191,1 1,1 5,4 5,4 -0,6 6,8 7,4 -9,1 2,2 2,2 1,4 - - - 7,6 7,4 2,5 70,2 67,8 3,4 Cu Pb 18 60,5 59,9 1,0 395,2 392,2 0,8 - - - 0,5 0,6 -14,0 - 0,1 - 0,9 0,8 3,5 - - - - - - 3,7 3,8 -3,8 20,1 18,8 6,0 - 0,1 - - 0,4 - - 0,2 - - 0,1 - - 0,1 - - 0,3 - - 0,2 - 6,5 5,8 10,8 7,1 6,7 5,0 4,2 3,8 9,5 2,1 2,2 -7,8 3,0 2,8 4,4 1,7 1,8 -3,0 19,5 20,0 -2,6 8,6 7,4 13,6 Cd Co Ni Các kết nghiên cứu cho thấy, hàm lượng kim loại nặng mẫu nước tầng đáy Hồ Hoàn Kiếm (mẫu 2) lớn tầng mặt (mẫu 1), mẫu nước hồ có hàm lượng ion kim loại nặng lớn mẫu nước máy thành phố Hà Nội (mẫu 3) Mẫu nước máy thành phố Thái Ngun (mẫu 4) khơng có chì hàm lượng đồng cadimi lại cao mẫu nước máy Hà Nội Tuy nhiên hàm lượng chúng nằm giới hạn cho phép theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt Hàm lượng ion kim loại đồng chì mẫu nước thải nhà máy Gang (mẫu số 8) tương đối cao, đặc biệt chì Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải cơng nghiệp hàm lượng kim loại nặng mẫu nước thải chưa vượt ngưỡng cho phép cần thiết phải xử lí chúng trước thải mơi trường, tránh khả lắng đọng trầm tích, gây ô nhiễm sau 19 PHẦN III: KẾT LUẬN Đã nghiên cứu cách có hệ thống thành phần cấu trúc đá ong tự nhiên Thạch Thất, Hà Nội phương pháp hoá học hoá lý đại (phương pháp nhiễu xạ Rơnghen XRD, phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR, phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM, phương pháp xác định điện tích bề mặt ) Tỉ lệ oxít tạo khung cho chất hấp phụ đá ong tự nhiên khoảng 40% SiO2, 32% Fe2O3 14% Al2O3 Đây sở tốt để chuyển hoá đá ong tự nhiên thành chất hấp phụ Để tăng khả hấp thu đá ong, nghiên cứu biến tính đá ong chất hoạt động bề mặt (Trilon CTAB); dung dịch muối sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat; dung dịch muối kết hợp với đất xeri tổng hợp mẫu vật liệu hoá chất tinh khiết (sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat; sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat đất xeri) làm mẫu đối chứng Đã nghiên cứu xây dựng quy trình biến tính đá ong chất: sắt (III) nitrat, natri silicat, natri photphat đất xeri Bằng phương pháp vật lý hoá lý, nghiên cứu chứng minh q trình biến tính đá ong phương pháp kết tinh thuỷ nhiệt nhiệt độ 60 – 700C kết hợp với phụ gia đất xeri tạo chất hấp thu tốt (vật liệu M6) Đã nghiên cứu đặc trưng hoá lý: ảnh chụp bề mặt, phổ nhiễu xạ Rơnghen, diện tích bề mặt, điện tích bề mặt, độ xốp, phổ hồng ngoại đá ong tự nhiên vật liệu đá ong biến tính Kết cho thấy, hầu hết sản phẩm đá ong biến tính xốp đá ong tự nhiên; bề mặt đá ong biến tính gắn tâm hoạt động PO43-, SiO32- Nhờ sản phẩm đá ong biến tính có khả hấp thu tốt nhiều so với đá ong tự nhiên Đã nghiên cứu khả hấp thu nước, khả hấp thu chất màu hữu (xanh - metylen) ion kim loại nặng vật liệu Điều chứng minh khả hấp thu vật liệu hấp thu đá ong biến tính Đã nghiên cứu khả hấp thu vật liệu nghiên cứu ion kim loại nặng Kết cho thấy, dung lượng hấp thu ion kim loại nhóm vật liệu đá ong biến tính có gia thêm đất xeri cao nhiều so với đá ong tự nhiên cao nhóm vật liệu đá ong biến tính lại, vật liệu M6 có dung lượng hấp thu tốt Đã nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu hấp thu đá ong biến tính (vật liệu M6) để tách làm giàu kỹ thuật chiết pha rắn (SPE) kết hợp với phương pháp F-AAS, xác định 05 kim loại: Cu, Pb, Cd, Co Ni nước Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu hấp thu đá ong biến tính có khả làm giàu cao, hiệu suất thu hồi cao có khả tái sử dụng Luận án giải thành công việc chuyển hoá loại khoáng liệu phổ biến đá ong thành chất hấp thu đa tính, sử dụng để làm giàu, tách xác định ion kim loại phân tích nước có khả sử dụng công nghệ môi trường 20 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Ngô Thị Mai Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Văn Thắng, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Chu Đình Bính (2007), Khảo sát khả hấp phụ cation Pb(II), Cd(II), Cu(II), Ni(II) Co(II) đá ong biến tính, Tạp chí Phân tích Hố, Lý Sinh học, T – 12, số 3, trang 14 – 19 Ngô Thị Mai Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Chu Đình Bính (2008), Seperation and Preconcentration of Lead, Cadmium, Copper, Nickel and Cobalt from Waste Water by Denatured Laterite for Determination of these Elements, The 10th Eurasia Conference on Chemical Sciences (EuAs C2S-10), Manila, Philippines, 7-11 January 2008, pp.268 Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Ngơ Thị Mai Việt, Chu Đình Bính (2009), Khảo sát dung lượng hấp phụ ion kim loại nặng vật liệu đá ong biến tính có gia thêm đất hiếm, Tạp chí Phân tích Hố, Lý Sinh học, T – 14, số 2, trang 103 – 109 Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Ngơ Thị Mai Việt, Chu Đình Bính (2009), Các đặc trưng hoá lý vật liệu hấp phụ đá ong biến tính có gia thêm đất hiếm, Tạp chí Phân tích Hố, Lý Sinh học, T – 14, số 2, trang 117 – 121 Ngô Thị Mai Việt, Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu (2009), Nghiên cứu khả hấp phụ giải hấp vật liệu đá ong biến tính có gia thêm đất khảo sát khả ứng dụng phân tích, làm giàu kim loại nặng, Tạp chí Phân tích Hoá, Lý Sinh học, T – 14, số 2, trang 110 – 116 ... tài luận án là: Nghiên cứu tính chất hấp thu đá ong khả ứng dụng phân tích xác định kim loại nặng Mục tiêu luận án là: xác định khả điều kiện tối ưu để chuyển hoá đá ong thành chất hấp thu, ... nhiên mẫu đá ong biến tính 3, Xác định dung lượng hấp thu ion kim loại nặng đá ong trước sau biến tính 4, Nghiên cứu khả ứng dụng đá ong biến tính sử dụng để làm giàu xác định ion kim loại nặng; ... pháp nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1, Nghiên cứu tính chất hấp thu đá ong đồng thời nghiên cứu biến tính đá ong để tăng khả hấp thu chúng 2, Xác định số đặc trưng vật lý hấp thu đá ong tự