Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC ===  === ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH Đề tài: “Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa nghiên cứu khả hấp phụ Fe2+ nước” GVHD SVTH MSSV Lớp : : : : TS Bùi Thị Vân Anh Nguyễn Thành Trung 20153986 KTHH06 Hà Nội – 2019 Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình Lời cảm ơn Lời mở đầu Phần 1: Tổng quan 1.1 Nước thải 1.1.1 Định nghĩa nước thải .1 1.1.2 Thông số đánh giá chất lượng nước 1.2 Xơ dừa 1.2.1 Tình hình xơ dừa Việt Nam 1.2.2 Tình hình xơ dừa giới .3 1.2.3 Thành phần xơ dừa 1.3 Các phương pháp xử lý nước thải 1.3.1 Phương pháp kết tủa 1.3.2 Phương pháp trao đổi ion 1.3.3 Phương pháp điện hóa 1.3.4 Phương pháp sinh học 1.3.5 Phương pháp oxy hóa khử .6 1.3.6 Phương pháp hấp phụ 1.3.6.1 Giới thiệu phương pháp hấp phụ .7 1.3.6.2 Cân hấp phụ - Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 1.3.6.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ giải hấp .11 1.3.6.4 Ứng dụng phương pháp hấp phụ xử lý nước thải .12 1.4 Một số phương pháp định lượng kim loại 12 1.4.1 Phương pháp thể tích 12 1.4.2 Phương pháp trắc quang 12 1.4.2.1 Nguyên tắc 12 1.4.2.2 Các phương pháp phân tích định lượng trắc quang .13 1.5 Giới thiệu sắt 14 1.5.1 Tính chất phân bố môi trường 14 1.5.2 Vai trò sắt 15 1.5.3 Độc tính sắt 15 Phần 2: Phương pháp nghiên cứu 16 2.1 Dụng cụ hóa chất sử dụng .16 2.1.1 Dụng cụ .16 2.1.2 Hóa chất .16 2.2 Phương pháp xác định lại nồng độ KMnO4 .16 2.2.1 Chuẩn bị dung dịch chuẩn H2C2O4 16 2.2.2 Chuẩn bị dung dịch chuẩn KMnO4 .16 2.2.3 Cách tiến hành .16 2.3 Phương pháp xác định sắt 17 2.3.1 Chuẩn bị dung dịch thí nghiệm 17 2.3.2 Cách tiến hành .17 2.4 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa .17 2.5 Khảo sát khả hấp phụ Fe2+ nguyên liệu vật liệu hấp phụ .18 2.6 Khảo sát khả hấp phụ Fe2+ dung dịch vật liệu hấp phụ .18 2.6.1 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình hấp phụ Fe2+ 18 2.6.2 Khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến trình hấp phụ 19 2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Fe2+ dung dịch đến khả hấp phụ vật liệu hấp phụ .19 Phần 3: Kết thực nghiệm 20 3.1 Kết khảo sát khả hấp phụ Fe2+ nguyên liệu vật liệu hấp phụ 20 3.2 Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình hấp phụ Fe2+ 20 3.3 Kết khảo sát ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến trình hấp phụ .21 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ Fe2+ dung dịch đến khả hấp phụ vật liệu hấp phụ 22 Kết luận 24 Tài liệu tham khảo 25 Danh mục bảng Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Khảo sát khả hấp phụ vật liệu nguyên liệu xơ dừa Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình hấp phụ Ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến trình hấp phụ Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Fe2+ dung dịch đến khả hấp phụ vật liệu hấp phụ Danh mục hình Hình 1.1 Phân bố diện tích canh tác dừa giới năm 2009 theo vùng địa lý (%) Hình 1.2 Diện tích dừa 10 quốc gia canh tác dừa lớn giới năm 2009 (%) Hình 1.3 Diễn biến diện tích canh tác dừa giới giai đoạn 2000 – 2009 (ha) Hình 1.4 Hấp phụ đẳng nhiệt T1 T2, (T1 < T2) Hình 1.5 Xác định hệ số phương trình Fredlich Hình 1.6 Phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Hình 1.7 Sự phụ thuộc Cf / q vào Cf Hình 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa Hình 3.1 Ảnh hưởng thời gian tới trình hấp phụ Hình 3.2 Ảnh hưởng khối lượng vật liệu đến trình hấp phụ Hình 3.3 Ảnh hưởng nồng độ Fe2+ dung dịch tới trình hấp phụ Lời cảm ơn Trong q trình học tập hồn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy phòng thí nghiệm mơn Cơng nghệ chất Vô Cơ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ, tạo điều kiện, tận tình bảo kiến thức quý báu cho em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn TS Bùi Thị Vân Anh, môn Công nghệ chất Vô Cơ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội – người tận tình bảo, dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn em nghiên cứu hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn anh chị Bộ môn Công nghệ chất Vơ – Viện Kĩ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội bảo, trang bị kiến thức giúp em hoàn thành đồ án Và em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè ln động viên, giúp đỡ suốt q trình học tập hồn thành đồ án Do hạn chế thời gian trình độ hiểu biết nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo (thầy) để hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Lời mở đầu Ơ nhiễm mơi trường vấn đề quan tâm Cơng cơng nghiệp hóa kèm với tình trạng nhiễm mơi trường ngày tăng Trong đó, ô nhiễm kim loại nặng thải từ ngành công nghiệp mối dê 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 cần phải giải Đã có nhiều phương pháp áp dụng nhằm tách ion kim loại nặng khỏi nước thải như: phương pháp hóa lý, phương pháp sinh học, phương pháp hóa học, phương pháp hấp thụ… Trong đó, phương pháp hấp phụ áp dụng rộng rãi cho kết khả thi Một vật liệu sử dụng để hấp phụ kim loại nhiều nhà khoa học quan tâm phụ phẩm nông nghiệp vỏ trấu, vỏ chuối, bã mía, lõi ngơ,…Hướng nghiên cứu có nhiều ưu điểm sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, vật liệu sẵn có, thân thiện với môi trường khả hấp phụ tương đối cao biến tính phù hợp Việt Nam nước nhiệt đới có nguồn thực vật phong phú Dừa trồng tiêu thụ phổ biến Việt Nam Khi ăn quả, vỏ dừa chiếm tỷ trọng lớn, hàm lượng xenlulo cao, thường bị bỏ Chính lý trên, em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Chế tạo vật liệu hấp phụ từ xơ dừa nghiên cứu khả hấp phụ Fe2+ nước” Đồ án chuyên ngành Phần 1: Tổng quan 1.1 Nước thải 1.1.1 Định nghĩa nước thải Người ta định nghĩa nước thải chất lỏng thải sau trình sử dụng người bị thay đổi tính chất ban đầu chúng Thông thường nước thải phân loại theo nguồn gốc phát sinh chúng Theo cách phân loại này, có loại nước thải đây: • Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt nước thải từ khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học sở tương tự khác • Nước thải cơng nghiệp Nước thải công nghiệp nước thải từ nhà máy hoạt động, có nước thải sinh hoạt nước thải cơng nghiệp chủ yếu • Nước thải tự nhiên Nước mưa xem nước thải tự nhiên Ở thành phố đại nước thải tự nhiên thu gom theo hệ thống thoát riêng • Nước thải đô thị Nước thải đô thị thuật ngữchung chất lỏng hệ thống cống thoát thành phố Đó hỗn hợp loại nước thải kể 1.1.2 Thông số đánh giá chất lượng nước • Các chất lơ lửng Là tiêu đánh giá chất lượng nước thải Căn vào tiêu để tính tốn hệ thống xử lý Các chất lắng: chiếm phần chất lơ lửng, hạt có kích thước lớn 10-4mm, có khả lắng xuống bể lắng sau nên dễ dàng tách khỏi nước thải Phương pháp thường dùng để tách chất lắng để lắng Trong lít nước thải có từ - ml cặn lắng Các chất khơng lắng: hạt có kích thước nhỏ gần kích thước hạt keo, không lắng thời gian qui định, khối lượng chất tương đối lớn Vì muốn tách chúng ta dùng phương pháp phá vỡ hệ keo cách cho vào nước chất keo tụ dùng phương pháp nhiệt Các chất tan: ngồi muối hòa tan có chất khác NH3, Urê, chất tẩy rửa hòa tan • BOD – nhu cầu oxy sinh học (Biological Oxygen Demand) GVHD: TS Bùi Thị Vân Anh SVTH: Nguyễn Thành Trung Đồ án chuyên ngành BOD lượng oxy cần thiết (mg) cung cấp cho vi sinh vật chuyển hóa sinh học chất hữu lít nước thải thành CO2 nước điều kiện 200oC ngày 20 ngày tương ứng có ký hiệu BOD5 BOD20 Đơn vị tính mg/l Chỉ số BOD đặc trưng cho mức độ ô nhiễm nước thải, BOD cao nước bị ô nhiễm Khi thải nước có BOD cao ngồi mơi trường làm giảm lượng oxy hòa tan nguồn tiếp nhận vi sinh vật lấy O2 nước để oxy hóa chất hữu Hàm lượng BOD tiêu để tính tốn cơng trình xử lý sinh học Với nguồn nước khác hay nguồn nước thời điểm khác nhau, số BOD cho giá trị khác Hiện tượng oxy hóa diễn khơng đồng theo thời gian Ở thời gian đầu trình xảy mạnh, sau giảm dần Đối với nước thải sinh hoạt sau 20 ngày oxy hóa tồn chất hữu nên BOD20 coi BOD tồn phần • COD – nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) COD lượng oxy (mg) tương đương với lượng Dichromate kali dùng để oxy hóa (trong mơi trường acid) hết chất bị oxy hóa lít nước thải Chỉ số COD tương tự BOD, biểu ô nhiễm nước mức cao BOD dùng phương pháp hóa học cưỡng để oxy hóa chất nước thải Nhu cầu oxy sinh học không phản ánh tồn chất hữu có chứa nước thải khơng tính đến chất hữu tiêu thụ cho việc tăng sinh khối sinh vật chất hữu bền vững mà sinh vật phân hủy Giá trị nhu cầu oxy hóa học (COD) phản ánh tồn chất hữu chí chất vơ Thông thường phương pháp xử lý sinh học áp dụng để xử lý nước thải tỉ số BOD/COD > 0,46 • Nhiệt độ Nhiệt độ nước thải tăng, tốc độ lắng tạp chất tăng, đồng thời hoạt động sống vi sinh vật phát triển mạnh • Màu mùi nước thải Màu nước thải đục, có màu xám đục đen, mùi hôi thối Màu mùi nước thải kết phân hủy tạp chất vi sinh vật • Hàm lượng nitơ Chỉ tiêu hàm lượng nitơ nước xem chất thị tình trạng nhiễm nước NH3 tự sản phẩm phân hủy chất chứa protein, nghĩa điều kiện hiếu khí xảy q trình oxy-hóa GVHD: TS Bùi Thị Vân Anh SVTH: Nguyễn Thành Trung Đồ án chuyên ngành • Hàm lượng phốtpho Photpho nước nước thải thường tồn dạng orthophotphat (PO43, H2PO4- , HPO42- , H3PO4) hay polyphotphat [Na3(PO3)6] photphat hữu Chỉ tiêu phốtpho có ý nghĩa quan trọng cấp nước để kiểm soát hình thành cặn rỉ, ăn mòn xử lý nước thải phương pháp sinh học 1.2 Xơ dừa 1.2.1 Tình hình xơ dừa Việt Nam Ngành dừa Việt Nam nằm cấu nơng nghiệp nói chung, hình thành phát triển lâu đời Là 10 quốc gia có diện tích dừa lớn giới, với diện tích chiếm xấp xỉ 1% tổng diện tích dừa, Việt Nam quốc gia có số lượng dừa lớn, dừa thường trồng phân tán, rải rác nhiều tỉnh Chỉ có hai vùng dừa tập trung làm vùng nguyên liệu cho ngành chế biến dừa Tam Quan – Bình Định duyên hải miền Trung tỉnh Bến Tre Đồng sông Cửu Long Bến Tre tỉnh nông nghiệp thuộc Đồng Bằng Sông Cửu Long, tọa lạc vùng châu thổ cửa sơng Tiền Giang, hình thành phát triển ba cù lao lớn Cù Lao An Hóa, Cù Lao Bảo Cù Lao Minh Bến Tre địa phương có vùng dừa lớn tập trung so với nước Chiếm 35% tổng diện tích dừa nước Bến Tre đóng vai trò hạt nhân ngành cơng nghiệp chế biến dừa Việt Nam 1.2.2 Tình hình xơ dừa giới Theo số liệu FAO (2011), giới có khoảng 11,86 triệu đất canh tác dừa Cây dừa phân bố rộng khắp khu vực nhiệt đới cận xích đạo, trải dài từ Đông bán cầu sang Tây bán cầu Tuy nhiên, dừa tập trung nhiều khu vực Châu Á – Thái Bình Dương Cây dừa phân bố nhiều vùng Đông Nam Á 60,89%; kế vùng Nam Á (19,74%); vùng Châu Đại Dương (4,6%) Sau vùng Châu Mỹ La Tinh, mà chủ yếu Brazil (2,79%) Các đảo quốc vùng biển Caribbean đóng góp 0,97%; Trung Quốc, mà chủ yếu đảo Hải Nam, chiếm tỷ trọng 0,24% Các vùng lại đóng góp 10,75% diện tích (hình 1.1) Ở khu vực Đơng Nam Á, quốc gia có diện tích dừa đáng kể Philippines, Indonesia, Thái Lan, Malaysia Việt Nam Ở khu vực Nam Á, hai quốc gia trồng dừa nhiều Ấn Độ Sri Lanka Ở Châu Đại Dương chủ yếu đảo quốc vùng lãnh thổ đảo nổi, hai nơi trồng dừa nhiều Papua New Guinea Vanuatu Ở Châu Mỹ La Tinh, quốc gia trồng nhiều dừa Brazil Đây 10 quốc gia có diện tích dừa lớn giới (hình 1.2) Các quốc gia lãnh thổ lại đóng góp 15,4% diện tích dừa giới Các quốc gia có diện tích canh tác dừa lớn nhất, vượt triệu Philippines (28,7%); Indonesia (27,2%); Ấn Độ (16%) Chỉ riêng ba quốc gia đóng góp gần ¾ tổng diện tích dừa giới (71,9%) Các nước trồng dừa quan trọng khác có diện tích GVHD: TS Bùi Thị Vân Anh SVTH: Nguyễn Thành Trung Đồ án chuyên ngành • Thuyết hấp phụ đa phân tử BET Trong số trường hợp, hấp phụ không tạo đơn lớp phân tử mà thành nhiều lớp phân tử chồng lên Tác giả Braunauer – Tella đường nhiệt động học đưa phương trình hấp phụ đẳng nhiệt dựa quan điểm sau: - - Lớp hấp phụ tiến hành lực tương tác Vandervan chất hấp phụ chất bị hấp phụ Các lớp hình thành ngưng tụ khí Nhiệt hấp phụ lớp thứ hai tất lớp thiếp theo nhiệt hóa lỏng khí, nhiệt hấp phụ lớp thứ khác Các phân tử hấp phụ tương tác với phân tử trước sau mà khơng tương tác với phân tử bên cạnh P/V(Po - P) = 1/Vm.C + (C-1)/Vm.C.p/po Trong đó: ▪ Po: Áp suất bão hòa ▪ V: Thể tích khí bị hấp phụ áp suất P ▪ Vm: Thể tích khí bị hấp phụ lớp thứ (𝑃𝑜 −𝑃) ⁄𝑅𝑇 ▪ C: Thừa số lượng 𝐶 = 𝑒 (Po - P) hiệu số hấp phụ lớp đơn phân tử nhiệt hóa lỏng 1.3.6.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ giải hấp Hấp phụ trình phức tạp, chịu ảnh hưởng số yếu tố sau: a Ảnh hưởng dung môi Hấp phụ dung dịch hấp phụ cạnh tranh, nghĩa chất tan bị hấp phụ mạnh dung mơi bị hấp phụ yếu Dung mơi có sức căng bề mặt lớn chất tan dễ bị hấp phụ Chất tan dung môi nước bị hấp phụ tốt so với dung môi hữu b Tính chất chất hấp phụ chất bị hấp phụ Thông thường, chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực chất không phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt không phân cực Ngoài ra, độ xốp chất hấp phụ ảnh hưởng đén khả hấp phụ Khi giảm kích thước mao quản chất hấp phụ xốp hấp phụ từ dung dịch thương tăng lên Nhưng đến giới hạn đó, kích thước mao quản nhỏ cản trở vào chất hấp phụ c Ảnh hưởng nhiệt độ GVHD: TS Bùi Thị Vân Anh 11 SVTH: Nguyễn Thành Trung Đồ án chuyên ngành Khi nhiệt độ tăng, hấp phụ dung dịch giảm Tuy nhiên, cấu tử tan hạn chế, tăng nhiệt độ, độ tan tăng làm cho nhiệt độ dung dịch tăng lên, khả hấp phụ tăng lên d Ảnh hưởng pH mơi trường Ảnh hưởng nhiều đến tính chất bề mặt chất hấp phụ chất bị hấp phụ dung dịch nên cũn ảnh hưởng tới trình hấp phụ Ngồi ra, có yếu tố khác như: nồng độ chất tan dung dịch, áp suất chất khí, q trình hấp phụ cạnh tranh chất bị hấp phụ 1.3.6.4 Ứng dụng phương pháp hấp phụ xử lý nước thải Phương pháp hấp phụ sử dụng rộng rãi xử lý nước thải cơng nghiệp cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn (bao gồm chất vô hữu cơ) từ nguồn nước bị ô nhiễm tách loại tốt chúng nồng độ thấp Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp hấp phụ tỏ có ưu phương pháp khác giá thành xử lý thấp 1.4 Một số phương pháp định lượng kim loại 1.4.1 Phương pháp thể tích Phân tích thể tích phương pháp phân tích định lượng dựa đo thể tích dung dịch thuốc thử biết xác nồng độ (dung dịch chuẩn) cần dùng để phản ứng hết với chất cần xác định có dung dịch cần phân tích Dựa vào thể tích nồng độ dung dịch chuẩn dùng để tính hàm lượng chất cần xác định có dung dịch phân tích Dựa theo chất phản ứng chuẩn độ, phương pháp phân tích thể tích chia làm loại sau: - Phương pháp chuẩn độ axit – bazơ Phương pháp chuẩn độ kết tủa Phương pháp chuẩn độ tạo phức Phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử 1.4.2 Phương pháp trắc quang 1.4.2.1 Nguyên tắc Trắc quang phương pháp phân tích sử dụng phổ biến phương pháp hóa lý Nguyên tắc chung phương pháp phân tích trắc quang muốn xác định cấu tử X đó, ta chuyển thành hợp chất có khả hấp thụ ánh sáng đo hấp thụ ánh sáng suy hàm lượng chất cần xác định X Cơ sở phương pháp định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer Lambert Beer Biểu thức định luật: GVHD: TS Bùi Thị Vân Anh 12 SVTH: Nguyễn Thành Trung Đồ án chuyên ngành 𝐴 = 𝑙𝑔 𝐼𝑜 = 𝜀 𝐿 𝐶 𝐼 Trong đó: - Io, I cường độ ánh sáng vào khỏi dung dịch L bề dày cuvet C nồng độ chất hấp phụ ánh sáng dung dịch ɛ hệ số hấp thụ quang phân tử, phụ thuộc vào chất chất hấp phụ ánh sáng bước sóng ánh sáng tới (ɛ = f()) Như vậy, độ hấp thụ quang A hàm đại lượng: bước sóng, bề dày cuvet nồng độ chất hấp thụ ánh sáng 𝐴 = 𝑓(𝜆, 𝐿, 𝐶) Do đó, A bước sóng λ định với cuvet có bề dày L xác định đường biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x đường thẳng Tuy nhiên, yếu tố ảnh hưởng đến hấp thụ ánh sáng dung dịch (bước sóng ánh sáng tới, pha lỗng dung dịch, nồng độ H+, có mặt ion lạ) nên đồ thị khơng có dạng đường thẳng với giá trị nồng độ Và biểu thức có dạng: 𝐴𝜆 = 𝑘 𝜀 𝐿 (𝐶𝑥 )𝑏 Trong đó: - Cx nồng độ chất hấp thụ ánh sáng dung dịch k số thực nghiệm b số có giá trị < b