Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốc PANi bã mía định hướng hấp phụ ion fe2+trong môi trường nước (KLTN k41)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ====== NGUYỄN THỊ DƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU GỐC PANi/ BÃ MÍA ĐỊNH HƯỚNG HẤP PHỤ ION Fe2+ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Hữu HÀ NỘI - 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ====== NGUYỄN THỊ DƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU GỐC PANi/ BÃ MÍA ĐỊNH HƯỚNG HẤP PHỤ ION Fe2+ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Hữu Người hướng dẫn TS Dương Quang Huấn HÀ NỘI - 2019 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới TS Dương Quang Huấn hướng dẫn, giúp đỡ em tận tình, đầy tâm huyết suốt q trình nghiên cứu hồn thiện khóa luận Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Quang Hợp thầy khóa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội truyền dạy kiến thức thiết thực tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập hồn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin cảm ơn trao đổi, góp ý bạn sinh viên khóa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội động viên, tin tưởng gia đình, bạn bè giúp em hồn thành tốt khóa luận Dù cố gắng thực khóa luận, em khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong nhận góp ý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Sinh viên Nguyễn Thị Dương LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu em, hướng dẫn TS Dương Quang Huấn Các nội dung kết nghiên cứu đề tài hịan tịan trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu trước Nếu có gian lận em xin chịu trách nhiệm hoàn toàn trước Hội đồng, kết khóa luận Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Sinh viên Nguyễn Thị Dương DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT C h ữ AAA A Am p BM K P PV Aật PV Aật NV li P Aật Nli S E T T C p V L MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng nước 1.1.1 Sơ lược kim loại nặng (KLN) 1.1.2 Tình hình nhiễm kim loại nặng (KLN) nước 1.1.3 Tác dụng sinh hóa KLN người mơi trường 1.1.4 Ô nhiễm sắt nước 1.1.5 Một số phương pháp xử lí KLN nước 1.2 Bã mía 1.2.1 Giới thiệu vật liệu hấp phụ - bã mía 1.2.2 Thành phần hóa học bã mía 1.2.3 Ứng dụng bã mía 1.3 Polyaniline (PANi) 1.3.1 Cấu trúc PANi 1.3.2 Tính chất PANi 10 1.3.3 Ứng dụng PANi 11 1.3.4 Phương pháp tổng hợp PANi 11 1.4 Khái quát phương pháp hấp phụ 13 1.4.1 Một số khái niệm hấp phụ 13 1.4.2 Động học hấp phụ 15 1.4.3 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 15 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 21 2.1 Phương pháp nghiên cứu 21 2.1.1 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) 21 2.1.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 21 2.1.3 Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 22 2.2 Thực nghiệm 23 2.2.1 Hóa chất, dụng cụ 23 2.2.2 Máy móc, thiết bị 23 2.2.3 Tiến hành thí nghiệm 23 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Đặc trưng vật liệu tổng hợp 28 3.1.1 Hiệu suất vật liệu tổng hợp hấp phụ PANi- bã mía 28 3.1.2 Phổ hồng ngoại IR trình tổng hợp 29 3.1.3 Đặc trưng ảnh quét SEM bã mía PANi/BM 33 3.2 Khả hấp phụ vật liệu 34 3.2.1 Ảnh hưởng chất vật liệu hấp phụ 34 3.2.2 Ảnh hưởng khối lượng 34 3.2.3 Ảnh hưởng thời gian 35 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu 36 3.3 Nghiên cứu mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 37 3.3.1 Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir 37 3.3.2 Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich 39 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp PANi phương pháp hóa học 13 Hình 1.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 17 Hình 1.3 Đồ thị phụ thuộc C/q C 17 Hình 1.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 18 Hình 1.5 Đồ thị để tìm số phương trình Freundlich 18 Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp vật liệu PANi/BM 25 Hình 3.1: Phổ hồng ngoại bã mía hoạt hóa 29 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại PANi 30 Hình 3.3 Phổ hồng ngoại PANi/BM 31 Hình 3.4 Ảnh SEM bã mía 33 Hình 3.5 Ảnh SEM PANi 33 Hình 3.6 Ảnh SEM PANi/BM 33 Hình 3.7 Biểu đồ hiệu suất hấp 34 phụ Fe2+ theo vật liệu 34 Hình 3.8 Biểu đồ hiệu dung lượng 34 hấp phụ Fe2+ theo vật liệu 34 Hình 3.9 Biểu đồ thể phụ thuộc hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ Fe2+ vào khối lượng vật liệu PANi/BM11 35 Hình 3.10 Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Fe2+ theo thời gian vật liệu 35 Hình 3.11 Biểu đồ dung lượng hấp phụ Fe2+ theo thời gian vật liệu 35 Hình 3.12 Biểu đồ thể phụ thuộc hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ Fe2+ vào nồng độ ban đầu vật liệu hấp phụ PANi/BM11 36 Hình 3.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ phụ thuộc q vào C vật liệu hấp phụ Fe2+ 37 Hình 3.14 Đồ thị hấp phụ Langmuir phụ thuộc C/q vào C vật liệu hấp phụ Fe2+ 37 Hình 3.15 Mối quan hệ RL nồng độ Fe2+ ban đầu 38 Hình 3.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 39 Hình 3.17 Phương trình đẳng nhiệt Freundlich 39 50 100 150 200 250 thoi gian (phut) Hình 3.10 Biểu đồ hiệu suất hấp phụ Fe2+ theo thời gian vật liệu 50 100 150 200 250 thoi gian(phut) Hình 3.11 Biểu đồ dung lượng hấp phụ Fe2+ theo thời gian vật liệu Từ kết hấp phụ ion Fe2+ vật liệu khoảng thời gian từ 0-240 phút, cho thấy: Khi thay đổi thời gian hấp phụ vật liệu hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ thay đổi theo Từ khoảng thời gian 0-120 phút, thời gian tăng dung lượng hấp phụ hiệu suất hấp phụ tất vật liệu tăng nhanh Thời gian từ 120 phút đến 240 phút ta thấy dung lượng hấp phụ vật liệu thay đổi nhỏ, hiệu suất thay đổi không đáng kể + Vật liệu PANi: dung lượng hấp phụ tăng từ 14,092 mg/g lên 14,246 mg/g; hiệu suất tăng từ 93,543% lên 94,577% + Vật liệu BM: dung lượng hấp phụ tăng từ 14,296 mg/g lên 14,550 mg/g; hiệu suất tăng từ 92,205% lên 93,85% + Vật liệu PANi/BM: dung lượng hấp phụ tăng từ 14,772 mg/g lên 15,0772 mg/g; hiệu suất tăng từ 94,758% lên 96,719% Ngưỡng thời gian để đạt tới trạng thái cân hấp phụ vật liệu khoảng 120 phút 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu 70 60 50 40 H ( % ) q ( m g / g ) 30 20 120 140 160 180 200 220 240 260 Co (mg/l) Hình 3.12 Biểu đồ thể phụ thuộc hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ Fe2+ vào nồng độ ban đầu vật liệu hấp phụ PANi/BM11 Từ kết phân tích, cho thấy: Khi nồng độ ban đầu vật liệu hấp phụ thay đổi dung lượng hấp phụ hiệu suất hấp phụ ion Fe2+ thay đổi theo Khi nồng độ vật liệu hấp phụ tăng từ 123,6 (mg/l) ÷ 247,8 (mg/l) hiệu suất hấp phụ giảm từ 62,27% ÷ 44,20%, dung lượng hấp phụ tăng từ 23,10 (mg/g) ÷ 32,85 (mg/g) Khi nồng độ vật liệu hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ giảm, cịn dung lượng hấp phụ tăng Hiệu suất hấp phụ lớn đạt 62,27% Từ kết cho thấy khả hấp phụ ion Fe 2+ phụ thuộc vào yếu tố chất vật liệu hấp phụ, thời gian hấp phụ, khối lượng nồng độ ban đầu chất hấp phụ 3.3 Nghiên cứu mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 3.3.1 Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir 35 y= 0.0242x + 1.061 30 4.5 20 C/q (g/l) q (mg/g) 25 15 3.5 10 2.5 0 50 100 40 150 C (mg/l) Hình 3.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ phụ thuộc q vào C vật liệu hấp phụ Fe2+ 60 80 100 120 C (mg/l) 140 160 Hình 3.14 Đồ thị hấp phụ Langmuir phụ thuộc C/q vào C vật liệu hấp phụ Fe2+ Bảng 3.5 Giá trị thông số phương trình đẳng nhiệt Langmuir PANi/BM11 P h y = 41 Từ công thức (1.5) (1.6) (1.7) dựa vào đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính biểu diễn phụ thuộc C/q vào C xác định dung lượng hấp phụ qmax, số Langmuir KL tham số RL Từ nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu C0 giá trị số cân Langmuir KL giá trị tham số cân RL xây dựng đồ thị phụ thuộc tham số RL vào nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ Co thể hình 3.15 Bảng 3.6 Các thơng số mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir vật liệu hấp phụ gốc PANi/BM11 C K R , , 0 , , 0 , 2 , 0.3 RL 0.25 0.2 0.15 0.1 100 150 200 Co (mg/l) 250 300 Hình 3.15 Mối quan hệ RL nồng độ Fe2+ ban đầu Kết cho thấy, RL phụ thuộc vào nồng độ ban đầu vật liệu hấp phụ, Co tăng RL giảm (càng tiến dần tới 0) Kết phù hợp với kết nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ ban đầu chất hấp phụ tăng nồng độ ban đầu chất hấp phụ dung lượng hấp phụ tăng Tham số RL thu có giá trị từ 0,15038 ÷ 0,261912, theo mối tương quan RL mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cho thấy R L nằm giá trị < RL < phù hợp với mơ hình thực nghiệm 3.3.2 Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich 35 1.55 30 25 15 10 log q q 20 1.5 1.45 1.4 y = 0,3043x + 0,842 R² = 1.35 50 100 150 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 C 2.1 2.2 log C Hình 3.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Hình 3.17 Phương trình đẳng nhiệt Freundlich Bảng 3.7 Bảng giá trị thơng số cho mơ hình đẳng nhiệt Freundlich PANi/BM11 P y h Dựa vào phương trình đẳng nhiệt Freundlich cơng thức tính giá trị n, KF thể qua bảng Hệ số định tương ứng R = 0,8052 cao Trong giá trị n nằm khoảng 1÷ 10 phù hợp với mơ hình Hằng số hấp phụ Freundlich (KF = 6,59) thấp so với thực nghiệm Như vậy, mô hình đẳng nhiệt Freundlich khơng phù hợp với thực nghiệm Từ kết phân tích cho thấy mơ hình đẳng nhiệt Langmuir mơ hình thuận lợi để mơ tả trình hấp phụ Fe2+ vật liệu PANi/BM Hệ hấp phụ theo Langmuir hệ hấp phụ đơn lớp, ion Fe 2+ hấp phụ đơn lớp bề mặt vật liệu hấp phụ có cấu trúc đồng nhất, tức cấu tử ion kim loại Fe2+ hấp phụ tâm hoạt tính đồng bề mặt PANi/BM 38 KẾT LUẬN Tổng hợp thành công vật liệu hấp phụ PANi chất mang bã mía hoạt hóa phương pháp hóa học Vật liệu PANi/BM sau tổng hợp có dng si, kớch thc c 50ữ70 àm Nghiờn cu iu kiện ảnh hưởng tới khả hấp phụ ion KLN vật liệu PANi/BM cho thấy: Vật liệu có khả hấp phụ tốt PANi/BM21 Khi khối lượng vật liệu hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ tăng dung lượng hấp phụ giảm, dung lượng hấp phụ lớn đạt 43,73(mg/g) Khi nồng độ vật liệu hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ giảm, cịn dung lượng hấp phụ tăng Hiệu suất hấp phụ lớn đạt 62,27%.Thời gian đạt cân 120 ÷ 240 phút Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir phù hợp với hấp phụ ion Fe2+ vật liệu PANi/BM với hệ số xác định R2 = 0,9282, số hấp phụ Langmuir KL = 0,0288 tham số cân RL: 0,2619 ÷ 0,1504, cịn mơ hình Freundlich khơng phù hợp với thực nghiệm Kiến nghị Cần tiếp tục nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu PANi/BM ion KLN khác môi trường nước cách xử lí vât liệu sau hấp phụ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Đình Bạch, Nguyễn Văn Hải, 2006, Hóa học mơi trường, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Phạm Văn Hiệp (2008), Nghiên cứu tích lũy kim loại nặng cadimium (Cd) chì (Pb) lồi Corbicula sp vùng cửa sơng thành phố Đà Nẵng, Khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng Lê Huy Bá (2006), Độc học môi trường, NXB Đại học quốc gia TP 40 HCM Nguyễn Văn Khánh, Phạm Văn Hiệp (2009), Nghiên cứu tích lũy kim loại nặng Cadmium (Cd) Chì (Pb) lồi Hến (Corbicula sp.) vùng cửa sơng thành phố Đà Nẵng, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, 1(30), tr.83-89 Hồng Thái Long Hóa học môi trường, NXB Đại học Khoa học Huế Lương Thị Duyên (2016), Xác định hàm lượng số kim loại nặng nước uống (sử dụng nguồn nước ngầm) ảnh hưởng chúng sức khỏe người số khu vực Hà Nội, tr.8 http://nuocsinhhoat.com/nuoc-gieng-khoan-nhiem-sat-gap-lancho- phep.ht ml Phùng Thị Kim Thanh (2011), Nghiên cứu khả hấp phụ số ion kim loại nặng (Cr3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+) bã mía sau biến tính thử nghiệm xử lí mơi trường, luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội, tr.9,10,11 Đỗ Thị Mỹ Tiên (2014), Khảo sát khả hấp phụ ion Cu2+ vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía, Luận văn tốt nghiệp, Khoa Sư phạm – Trường Đại học Cần Thơ, tr.16 10 Bùi Minh Quý (2015), Nghiên cứu tổng hợp compozit PANi phụ phẩm nông nghiệp để xử lý kim loại nặng Pb (II), Cr (VI)và Cd (II), Luận án Tiến sĩ 11 Đặng Duy Trung (2011), Nghiên cứu chết tạo khảo sát tính chất vật liệu polyme nanocompozit sở polyaniline graphit, Luận văn thạc sĩ ngành Vật liệu linh kiện nano, Trường Đại học Công nghệ 41 12 Nguyễn Thị Quỳnh Nhung (2002), Nghiên cứu chế tạo polyme dẫn PANi phương pháp điện hóa khả chống ăn mịn, Luận văn tốt nghiệp đại học, Đại học sư phạm Hà Nội 13 Phạm Thị Thanh Thủy (2007), Ứng dụng polianilin để bảo vệ sườn cực chì acquy axit, Luận văn thạc sĩ hóa học, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 14 Phạm Thị Tốt (2014), Nghiên cứu ảnh hưởng polianilin đến tính chất quang điện hóa titandioxit, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội 15 Nguyễn Việt Bắc, Chu Chiến Hữu, Bùi Hồng Thỏa, Phạm Minh Tuấn, Polyanilin: Một số tính chất ứng dụng, Tạp chí khoa học cơng nghệ, 2005, 43, 240 – 243 16 Lê Văn Cát, Hấp phụ trao đổi ion kĩ thuật xử lý nước nước thải, Nhà xuất thống kê Hà Nội, 2002 17 Lê Văn Cát, Cơ sở khoa học kĩ thuật xử lý nước, Nhà xuất Thanh niên, 1999, Hà Nội 18 R.Asari and N Khoshbakht Fahim, Application of polypyrole coated on wood sawdust for removal of Cr (VI) ion from aqueous solutions, Journal of Enggineering Sciece and Technology, 2008, 67, 367-374 19 Y.S Ho, G McKay, Sorption of dye from aquesous solution by peat, Chem Eng, 1998, J.70, 115-124 20 Nguyễn Đình Triệu, Các phương pháp phân tích vật lý hóa lý – Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2001, Hà Nội 21 Nguyễn Thị Lan Anh (2007), Nghiên cứu tổng hợp xác định đặc trưng vật liệu nano hydroxyapatite, Luận văn thạc sĩ khoa học 22 J W Niemantsverdriet, Spectroscopy in catalysis, Wiley –WCH, 2001 23 Phạm Luận, Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, Nhà xuất đại học Quốc gia, 2003, Hà Nội 24 https://baigiang.violet.vn/present/phuong-phap-pho-hong-ngoai-pho-ir12149361.ht ml 25 Reza Ansari, Application of polyaniline and its composites for adsorption/ recovery of chromium (VI) from aqueous solutions, Acta Chim Slov 2006, 53, 88-94 ... tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốc PANi/ bã mía định hướng hấp phụ ion Fe2+trong mơi trường nước? ?? Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp PANi/ BM phương pháp hóa học - Hấp phụ kim loại Fe2+ PANi/ BM nghiên. .. 3.1 Đặc trưng vật liệu tổng hợp 3.1.1 Hiệu suất vật liệu tổng hợp hấp phụ PANi- bã mía Tổng hợp vật liệu PANi – bã mía, sản phẩm thu dạng composite Hiệu suất tổng hợp vật liệu hấp phụ tính theo... Khả hấp phụ BM hoạt hóa với hiệu suất hấp phụ đạt 83,16% dung lượng hấp phụ đạt 27,02 mg/g Tổng hợp vật liệu hấp phụ với tỉ lệ khác khả hấp phụ ion Fe2+ khác nhau, vật liệu có khả hấp phụ tốt PANi/ BM21