Nghiên cứu khả năng hấp phụ Ion kim loại đồng sử dụng tro của vỏ khoai tây

Quá trình hấp phụ để loại Ion kim loại đồng trong dung dịch nước sử dụng tro của vỏ khoai tây được thực hiện theo mẻ. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hấp phụ đã được nghiên cứu. Ở điều kiện tối ưu trong vùng khảo sát, hiệu suất của quá trình hấp phụ đạt tới 98,5 % khi loại Cu2+ trong dung dịch có nồng độ 190mg/l ở pH 6. Quá trình đã được mô tả bằng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich. Kết quả nghiên cứu theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cho thấy khả năng hấp phụ Cu2+ tối đa của chất hấp phụ là 53,9mg/g.

PETROVIETNAM Nghiên‱cứu‱khả‱năng‱hấp‱phụ‱ion‱kim‱loại‱ ₫ồng‱sử‱dụng‱tro‱của‱vỏ‱khoai‱tây TS Bùi Thị Lệ Thủy, KS Nguyễn Xuân Hải Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Tóm tắt Q trình hấp phụ để loại ion kim loại đồng dung dịch nước sử dụng tro vỏ khoai tây thực theo mẻ Ảnh hưởng yếu tố đến trình hấp phụ nghiên cứu Ở điều kiện tối ưu vùng khảo sát, hiệu suất trình hấp phụ đạt tới 98,5 % loại Cu2+ dung dịch có nồng độ 190mg/l pH Q trình mơ tả mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich Kết nghiên cứu theo mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cho thấy khả hấp phụ Cu2+ tối đa chất hấp phụ 53,9mg/g 1.Giới thiệu Kim loại nặng nguyên tố có khối lượng nguyên tử từ 63,5 - 200,6 khối lượng riêng lớn 5,0 [1] Cùng với phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp mạ, luyện kim, phân bón, thuộc da, giấy, dược… nguồn nước thải có chứa kim loại nặng trực tiếp gián tiếp gây ô nhiễm môi trường ngày tăng Không tạp chất hữu cơ, kim loại nặng khơng phân hủy sinh học mà tích tụ lại thể sống Rất nhiều kim loại nặng có độc tính cao tác nhân gây ung thư Các kim loại độc nước thải công nghiệp bao gồm: kẽm, đồng, niken, thủy ngân, cadimi, chì crom Hấp thu lượng dư đồng vào thể dẫn đến đau đầu, rụng tóc, tăng nhịp tim, buồn nơn, hỏng thận gan Đồng thời gây vấn đề tâm lý như: hoạt động bất thường não, trầm cảm, tâm thần phân liệt, lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hố gây tử vong [2] Tổ chức y tế giới khuyến cáo nồng độ đồng tối đa ion Cu2+ nước uống 1,5mg/l [3] Một số kim loại nặng khác đặc biệt nguy hiểm sức khoẻ người an toàn hệ sinh thái Vì cần phải loại bỏ chúng nước thải Các phương pháp truyền thống để loại bỏ kim loại nặng bao gồm: thẩm thấu ngược, xử lý điện hóa, trao đổi ion [4] Các phương pháp làm giảm ion kim loại nặng khơng có hiệu cao bị hạn chế khoảng pH, giá thành vật liệu vận hành cao Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng chất hấp phụ rẻ tiền để loại đồng kim loại nặng dung dịch nước Một số chất hấp phụ như: mùn cưa, oxit silic, oxit sắt, tro bùn thải, bã oliu, keo vơ cơ, than hoạt tính nghiên cứu dùng làm chất xử lý chất thải chứa nhiều Cu2+ [5 - 10] Trong nghiên cứu này, Cu2+ dung dịch nước xử lý dùng tro vỏ khoai tây với mục đích tận dụng nguồn nguyên liệu hấp phụ rẻ tiền, sẵn có nước giảm chất thải gây nhiễm mơi trường Ngồi ra, động học trình ảnh hưởng điều kiện tiến hành nghiên cứu Thực nghiệm 2.1 Chuẩn bị chất hấp phụ Vỏ khoai tây rửa để loại bỏ hết tạp chất bẩn, tráng lại nước cất thật ngâm nước cất khoảng Mẫu thu đem sấy 100oC giờ, nung 700oC sau lấy mẫu đem nghiền nhỏ, sấy sử dụng làm chất hấp phụ 2.2 Quá trình tách ion Cu2+ dụng dịch chất hấp phụ Thí nghiệm thực bình cầu có lắp máy khuấy, sinh hàn hồi lưu nhiệt kế Dung dịch CuSO4 DẦU KHÍ - SỐ 12/2011 43 HĨA‱-‱CHẾ‱BIẾN‱DẦU‱KHÍ chất hấp phụ đưa vào bình cầu, sử dụng dung dịch NaOH 0,1M HNO3 0,1M để điều chỉnh độ pH hỗn hợp Hỗn hợp khuấy với tốc độ 150 vòng/phút nhiệt độ thời gian nghiên cứu Sau kết thúc trình, dùng giấy lọc để lọc tách chất hấp phụ dung dịch, dùng phương pháp ly tâm để tách Dung dịch thu đem chuẩn độ để xác định nồng độ ion kim loại lại dung dịch Phương pháp chuẩn độ để xác định nồng độ ion Cu2+ dung dịch sau hấp phụ Trong nghiên cứu này, phương pháp chuẩn độ ion dùng để xác định nồng độ ion Cu2+ dung dịch Các phản ứng bao gồm: 2Cu2+ + 4I− = 2CuI + I2 I2 thoát chuẩn độ dung dịch Na2S2O3 theo phản ứng sau: Na2S2O3 + I2 = 2NaI + Na2S4O6 Chất thị dùng phản ứng hồ tinh bột [11, 12] 2.3 Tái sinh chất hấp phụ Chất hấp phụ sau sử dụng rửa nước cất cho vào bình cầu cổ, cho thêm vào 100ml dung dịch HCl nồng độ thích hợp, khuấy 60 phút Khi q trình nhả hấp phụ kết thúc, sử dụng giấy lọc để tách lấy tro, đem sấy khô nghiền nhỏ để dùng cho thí nghiệm tái hấp phụ Hình Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét mẫu chất hấp phụ (tro vỏ khoai tây) 3.2 Ảnh hưởng số yếu tố đến trình hấp phụ Kết thảo luận 3.1 Đặc trưng tính chất Tro thu sau nung xác định số tính chất vật lý Diện tích bề mặt mẫu nhỏ khoảng 0,6m2/g chứng tỏ hấp phụ bề mặt Sự hấp phụ bị ảnh hưởng tính chất hóa lý chất hấp phụ chất bị hấp phụ Ảnh SEM (Hình 1) độ phân giải khác cho thấy hạt phân bố tương đối đồng khoảng - 3μm, bề mặt chất hấp phụ có nhiều khe rãnh, điều cho phép tăng khả hấp phụ chất hấp phụ 44 DẦU KHÍ - SỐ 12/2011 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ như: khối lượng chất hấp phụ, nồng độ dung dịch chất hấp phụ, thời gian, nhiệt độ pH nghiên cứu để tìm thơng số tối ưu vùng khảo sát 3.2.1 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ Các thí nghiệm thực điều kiện với khối lượng chất hấp phụ thay đổi Kết trình bày Hình PETROVIETNAM Kết Hình cho thấy khối lượng chất hấp phụ tối ưu để thu hiệu suất hấp phụ cao 1g Với khối lượng chất hấp phụ thấp 1g trình hấp phụ chưa xảy hồn tồn hiệu suất hấp phụ chưa đạt giá trị cao Khi khối lượng chất hấp phụ tăng dần lượng ion kim loại đồng hấp phụ bề mặt chất hấp phụ tăng dần đạt cực đại 1g Khi khối lượng chất hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ lại giảm nhẹ Trong thí nghiệm tiếp theo, lượng chất hấp phụ sử dụng 1g/100ml dung dịch Cu2+ 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch bị hấp phụ Khi nồng độ dung dịch chứa Cu2+ tăng từ 95 - 380 mg/l hiệu suất trình hấp phụ giảm nhẹ từ 98% xuống 95% (Hình 3) Điều phù hợp trình hấp phụ trình cân Để so sánh đánh giá khả hấp phụ chất hấp phụ điều kiện khác nhau, toàn nghiên cứu thí nghiệm sử dụng dung dịch chứa Cu2+ 190mg/l Hình Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến trình hấp phụ ([Cu2+] = 190 mg/l, 20 phút, 20oC, pH = 6) 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian Khi tăng dần thời gian hiệu suất hấp phụ tăng đạt cực đại 98,5% 20 phút, sau hiệu suất khơng thay đổi chứng tỏ trình đạt tới cân (Hình 4) Vì vậy, thời gian hấp phụ tối ưu 20 phút 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ Ảnh hưởng nhiệt độ nghiên cứu khoảng 20 - 40oC (Hình 5) Kết cho thấy hiệu suất hấp phụ giảm tăng nhiệt độ Điều phù hợp với nhiệt động học, hấp phụ trình tỏa nhiệt, nhiệt độ tăng trình hấp phụ giảm trình giải hấp tăng Vậy nhiệt độ tối ưu cho trình hấp phụ khoảng khảo sát 20oC Hình Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Cu2+đến hiệu suất hấp phụ (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20 phút, 20oC, pH = 6) 3.2.5 Sự ảnh hưởng pH Quá trình hấp phụ ion Cu2+ nghiên cứu mơi trường có pH thay đổi từ - 14 (Hình 6) Kết cho thấy pH = tối ưu để thu hiệu suất hấp phụ lớn (98,5%) Ở pH thấp dung dịch tồn nhiều ion H+ Các ion phản ứng với nhóm chức anion bề mặt chất hấp phụ làm hạn chế số lượng nhóm chức cho hấp phụ ion đồng [13] Do hiệu suất hấp phụ giảm Tuy nhiên pH > dung dịch lại có nhiều ion OH- tạo kết tủa hydroxit với ion đồng làm cản trở hấp phụ ion đồng lên bề mặt chất hấp phụ [5, 14, 15] Điều dẫn đến giảm hiệu suất hấp phụ Hình Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, ([Cu2+] = 190mg/l, 20oC, pH = 6) DẦU KHÍ - SỐ 12/2011 45 HĨA‱-‱CHẾ‱BIẾN‱DẦU‱KHÍ q trình hấp phụ Tuy nhiên, hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ chứng tỏ chất hấp phụ có khả tái sử dụng cao 3.3 Sự hấp phụ đẳng nhiệt Tính chất đặc trưng cho trình hấp phụ thường nghiên cứu cách sử dụng số mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Hai mơ hình phổ biến Langmuir Freundlich 3.3.1 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng: (1) Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất hấp phụ (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, ([Cu2+] = 190 mg/l, 20 phút, pH = 6) Ce: nồng độ cân ion kim loại lại dung dịch (mg/l) Qe: lượng kim loại bị hấp phụ lên đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g) b: số Langmuir (l/mg) Qmax: khả hấp phụ cực đại chất hấp phụ (mg/g) Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir tương ứng với mơ hình hấp phụ đơn lớp Kết nghiên cứu trình hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir trình bày Bảng Hình Hình Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ 20 phút (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, ([Cu2+] = 190 mg/l, 20 phút, 20oC) Bảng Số liệu cho mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6) Bảng Khả tái sử dụng chất hấp phụ ([Cu2+] = 190 mg/l, 1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6) 3.2.6 Tái sử dụng chất hấp phụ Khả tái sử dụng chất hấp phụ tính chất quan trọng Dãy thí nghiệm thực điều kiện sử dụng lại chất hấp phụ sau nhả hấp phụ Quá trình lặp lại ba lần, thu kết Bảng Hiệu suất hấp phụ giảm dần số lần hấp phụ tăng sau lần hấp phụ giải hấp lượng tâm hoạt động bề mặt chất hấp phụ Quá trình nhả hấp khơng hồn tồn làm giảm hiệu suất 46 DẦU KHÍ - SỐ 12/2011 Hình Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6) PETROVIETNAM Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich mơ hình đẳng nhiệt thực nghiệm túy Kết nghiên cứu trình hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt Freundlich trình bày Bảng Hình Từ đồ thị: Từ đồ thị ta có: Việc so sánh giá trị Qmax tro vỏ khoai tây với Qmax chất hấp phụ rẻ tiền nghiên cứu khác thể Bảng 3.3.2 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich (2) Ce: nồng độ cân ion kim loại lại dung dịch (g/g) Qe: lượng kim loại bị hấp phụ lên đơn vị khối lượng chất hấp phụ (g/g) Kf n: số đặc trưng cho chất hấp phụ chất bị hấp phụ nhiệt độ nghiên cứu Kết thu cho thấy trình hấp phụ Cu2+ than vỏ khoai tây mô tả phù hợp hai mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Ta thấy hệ số bình phương hồi quy R2 thu tiến hành hồi quy phương trình Freundlich (R2 = 0,9934) gần với giá trị so với hệ số tương ứng phương trình Langmuir (R2 = 0,986) Do mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich phù hợp so với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Bảng Khả hấp phụ đồng chất hấp phụ khác Bảng Số liệu cho mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6) DẦU KHÍ - SỐ 12/2011 47 HĨA‱-‱CHẾ‱BIẾN‱DẦU‱KHÍ K Subramaniam, S Yiocoumi, 2001 Modeling kinetics of copper uptake by inorganic colloids under high surface coverage conditions Colloids Surf Vol 191 p 145 - 159 10 A Lopez-Delgado, C Perez, F.A Lopez, 1998 Sorption of heavy metals on blast furnace sludge Water Res Vol 32 No.4 p 989 - 996 11 Hướng dẫn thí nghiệm hóa phân tích Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Bộ mơn Hóa phân tích, 2007 Hình Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6) Kết luận Kết nghiên cứu bước đầu cho thấy sử dụng tro làm từ vỏ khoai tây để loại ion Cu2+ dung dịch nước thải Có thể loại 98,5% Cu2+ dung dịch chứa 190mg/l pH = thời gian 20 phút Quá trình hấp phụ tn theo mơ hình Langmuir Freundlich Chất hấp phụ dễ kiếm, giá thành thấp giảm chất thải tránh ô nhiễm môi trường Tài liệu tham khảo Srivastava, N.K., Majumder, C.B., 2008 Novel biofiltration methods for the treatment of heavy metals from industrial wastewater J Hazard Mater Vol 151 p - Nolan KR, 1983 Copper toxicity syndrome J Orthomol Psychiatr Vol 12 No.4 p 270 - 282 C.S Rao, 1992 Environmental Pollution Control Engineering Wiley Eastern, New Delhi J.M Cohen, Technology Transfer, US Environment Protection Agency, Washington, DC, 1977 M Ajmal, A.H Khan, S Ahmad, A Ahmad, 1998 Studies on removal and recovery of Cr (VI) from electroplating wastes Water Res Vol 32 p 3085 - 3091 S.C Pan, C.C Lin, D.H Tseng, 2003 Reusing sewage sludge ash as adsorbent for copper removal from wastewater Resour Conserv Recycl Vol 39 p 79 - 90 Kim, M., Hong, K., Chung, J.G., 2003 Removal of Cu(II) from aqueous solutions by adsorption process with anatasetype titanium dioxide Water Res Vol 37 p 3524 3529 F Veglio, F Beolchini, M Prisciandaro, 2003 Sorption of copper by olive mill residues, Water Res Vol 37 p 4895 - 4903 48 DẦU KHÍ - SỐ 12/2011 12 Bùi Long Biên, 2001 Hóa học phân tích định lượng NXB Khoa học Kỹ thuật 13 A Benhammou, A Yaacoubi, L Nibou, B Tanouti, 2005 Adsorption of metal ions onto Moroccan stevensite: kinetic and isotherm studies J Colloid Interf Sci Vol 82 p 320 -326 14 M Goyal, V.K Rattan, D Aggarwal, R.C Bansal, 2001 Kinetics of adsorption and desorption of Pb(II) in aqueous solution on activated carbon by two-site adsorption model Colloids and Surfaces A Vol 190, p 229 - 238 15 S.K Srivastava, R Tyagi, N Pant, 1989 Adsorption of heavy metal ions on carbonaciuos materials developed from waste slurry generated inlocal fertilizer plants Water Res Vol 23 p 1161-1165 16 N Basci, E, 2004 Kaocadagistan, B.Kocadagistan; Biosorption of copper(II) from aqueous solutions by wheat shell, Desalination Vol 164 p 135 - 140 17 M Teker, M Imamoglu, O Saltabas, 1999 Adsorption of copper and cad- mium ions by activated carbon from rice hulls Turk J Chem Vol.23 p 185 - 191 18 N Chubar, J.R Carvalho, M.J.N Correi, 2004 Cork biomass as biosor- bent for Cu(II), Zn(II) and Ni(II) Colloids Surf A Physicochem.Eng Aspects Vol 230 p 57 - 65 19 G McKay, 1995 Use of Adsorbents for the Removal of Pollutants from Waste Waters CRC Press, Bocca Raton, FL 20 M Minamisawa, H Minamisawa, S.Yoshioda, 2004 Adsorption behavior of heavy metals on biomaterials N Taki, Agric Food Chem Vol 52 p 5606 - 5611 21 T Aman, A A Kazi, M U Sabri, Q Bano, 2008 Potato peels as solid waste for the removal of heavy metal copper (II) from waste water/industrial effluent Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Vol 63 p 116 - 121  ... cân ion kim loại lại dung dịch (mg/l) Qe: lượng kim loại bị hấp phụ lên đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g) b: số Langmuir (l/mg) Qmax: khả hấp phụ cực đại chất hấp phụ (mg/g) Mô hình hấp phụ. .. Khi khối lượng chất hấp phụ tăng dần lượng ion kim loại đồng hấp phụ bề mặt chất hấp phụ tăng dần đạt cực đại 1g Khi khối lượng chất hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ lại giảm nhẹ Trong thí nghiệm... 20 phút, pH = 6) 3.2.6 Tái sử dụng chất hấp phụ Khả tái sử dụng chất hấp phụ tính chất quan trọng Dãy thí nghiệm thực điều kiện sử dụng lại chất hấp phụ sau nhả hấp phụ Quá trình lặp lại ba lần,