Trong bài báo này tác giả tiến hành khảo sát sự hấp phụ của niken trên bentonit. Các nghiên cứu được thực hiện với mục đích để xét ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm như pH, nồng độ của niken, thời gian và nhiệt độ lên quá trình hấp phụ của niken trên bentonit.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol 59, No 1A, pp 124-131 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Ni2+ CỦA BENTONIT Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc Lê Minh Cầm Khoa Hoá học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Tóm tắt Trong báo chúng tơi tiến hành khảo sát hấp phụ niken bentonit Các nghiên cứu thực với mục đích để xét ảnh hưởng thông số thực nghiệm pH, nồng độ niken, thời gian nhiệt độ lên trình hấp phụ niken bentonit Sau tinh chế bentonit thô, xác định đặc trưng vật liệu phương pháp XRD, SEM BET Các thí nghiệm hấp phụ niken bentonit tiến hành bể điều nhiệt Kết nghiên cứu rằng, khả hấp phụ tăng thời gian hấp phụ pH dung dịch tăng, trình hấp phụ niken bentonit tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir động học trình hấp phụ thỏa mãn phương trình động học biểu kiến bậc hai Từ khóa: Niken, bentonit, hấp phụ, ion kim loại nặng, phương trình đẳng nhiệt Langmuir Mở đầu Ngày nay, với gia tăng hoạt động công nghiệp việc sản sinh chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến môi trường, đặc biệt môi trường nước Sự ô nhiễm kim loại nặng Cu, Zn, Pb, Ni, Cd, As, hoạt động khai thác mỏ hoạt động công nghiệp công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay cơng nghệ dệt nhuộm, vấn đề cần giải cách cấp bách [1, 3] Ở Việt Nam, có mặt niken nước thải nhà máy công nghiệp nhà máy hoá chất, luyện kim, điện tử, gây hậu nghiêm trọng môi trường sức khỏe người [2] Do đó, việc nghiên cứu để tách ion kim loại nặng, có niken từ nguồn nước bị ô nhiễm vấn đề quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Hiện nay, có nhiều phương pháp sử dụng để xử lí kim loại nặng như: kết tủa hóa học, lọc màng, trao đổi ion, keo tụ, phương pháp hấp phụ tỏ có Tác giả liên lạc: Nguyễn Thị Mơ, địa e-mail: montvn@gmail.com 124 Nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit nhiều ưu điểm áp dụng rộng rãi khả xử lí nhanh, dễ chế tạo thiết bị đặc biệt tái sử dụng vật liệu hấp phụ Trong phương pháp hấp phụ vật liệu khoáng sét xem loại vật liệu triển vọng [2] Khoáng sét bentonit với trữ lượng dồi dào, cấu trúc lớp có khả trao đổi ion cao, khả trương nở (ưa nước) lớn vật liệu hấp phụ quan tâm nhiều [4] Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc sử dụng bentonit để hấp phụ niken quy mơ phịng thí nghiệm nhằm mục đích xử lí niken nguồn nước bị nhiễm Nội dung nghiên cứu 2.1 Thực nghiệm * Tinh chế bentonit Bentonit sử dụng nghiên cứu bentonit Cổ Định, Thanh Hóa Bentonit Cổ Định thơ với độ ẩm 20 - 30% nghiền sơ qua sơ chế để loại bỏ tạp chất Sau đó, bentonit sơ chế ngâm với nước 24 để tạo huyền phù tiếp tục pha loãng, khuấy 30 phút Sau cho hỗn hợp vào máy siêu âm 30 phút, để lắng 15 phút, phần hỗn hợp lọc để lấy phần sét Sét thu phơi khơ ngồi khơng khí 24 tiếp tục sấy nhiệt độ 60 ◦ C 24 Sản phẩm thu bentonit tinh chế * Đặc trưng vật liệu Bentonit tinh chế đặc trưng phương pháp: SEM, XRD, BET để xác định hình thái, cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt vật liệu Cấu trúc tinh thể bentonit xác định phương pháp XRD, chụp ˚ cường độ dòng ống phát máy D8 Advance - Brucker với ống phát tia CuKα (λ = 1,54A), ◦ 40 mA, góc quét 2θ từ - 40 , tốc độ quét 0,02 độ/giây Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các đặc trưng tính chất bề mặt vật liệu xác định theo phương pháp đo tính bề mặt riêng BET Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ nitơ xác định 77 K Diện tích bề mặt riêng diện tích mao quản tính theo phương trình BET, phương pháp “t-plot” phương pháp BJH Các kết xác định máy Tri Start 3000 Micromeritics Bộ mơn Hóa lí thuyết Hóa lí, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Hình thái hạt đánh giá qua phương pháp hiển vi điện tử quét SEM Mẫu chụp máy SEM-JEOL JSM.5410LV (Nhật Bản) phịng thí nghiệm Vật liệu, Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội * Thí nghiệm hấp phụ Quá trình hấp phụ niken bentonit tiến hành với 0,15 g bentonit bình eclen 100 mL có chứa 40 mL dung dịch Ni(NO3 )2 Bình eclen đặt máy lắc có điều khiển nhiệt độ với tốc độ lắc 120 vòng/phút Sau khoảng thời gian xác định, 125 Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc, Lê Minh Cầm dung dịch gạn lọc với giấy lọc xenlulo axetat Nồng độ dung dịch Ni2+ trước sau hấp phụ phân tích phương pháp phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) thiết bị AA6800 V (C0 − Ce ) , Dung lượng hấp phụ cân tính theo phương trình: qe = m qe dung lượng hấp phụ cân (mg/g); V thể tích dung dịch; C0 Ce nồng độ Ni2+ ban đầu nồng độ Ni2+ trạng thái hấp phụ cân (mg/L) Phương trình đẳng nhiệt Langmuir áp dụng cho trình hấp phụ Ni2+ 1 1 = + , qe dung lượng hấp phụ cân (mg/g); q0 bentonit là: qe q0 q0 K L C e dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); KL số hấp phụ Langmuir; Ce nồng độ Ni2+ cân (mg/L) Động học hấp phụ Ni2+ bentonit mơ tả mơ hình động học biểu kiến t 1 bậc 2, phương trình có dạng: = + t, qt dung lượng hấp phụ thời qt kqe qe điểm t (mg/g); qe dung lượng hấp phụ cân (mg/g); k số tốc độ (g/mg phút) 2.2 Kết thảo luận 2.2.1 Các đặc trưng lí hóa bentonit Hình Giản đồ XRD bentonit tinh chế Giản đồ XRD bentonit tinh chế trình bày Hình Có thể dễ dàng thấy pic đặc trưng cho quartz có cường độ nhỏ chứng tỏ quartz bị loại bỏ đáng kể q trình tinh chế Trong pic đặc trưng cho montmorillonit có cường độ lớn, từ suy hàm lượng montmorillonit bentonit tinh chế lớn Hình mơ tả ảnh SEM bentonit tinh chế Kết cho thấy mẫu bentonit tinh chế có kích thước hạt trung bình khoảng 10 µm 126 Nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit Hình Ảnh SEM bentonit tinh chế Bảng Các đặc trưng bề mặt bentonit Đặc trưng Diện tích bề mặt BET (m2 g−1 ) Thể tích lỗ xốp (cm3 g−1 ) Đường kính mao quản trung bình (4 V/A) (nm) Kết 70,4045 0,089869 11,2987 Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ nitơ 77 K bentonit Từ kết BET Hình Bảng 1, ta thấy dạng đường cong trễ chứng tỏ tạo thành lỗ trống vật liệu bentonit khơng đồng Có thể kết luận xếp ngẫu nhiên lớp bentonit mà có tạo thành lỗ xốp có kích thước tương đương với kích thước mao quản trung bình (đường kính mao quản trung bình tính theo phương pháp BJH 11,3 nm) Kết bentonit tinh chế có diện tích bề mặt SBET = 70,4 cm2 /g; thể tích lỗ xốp tính theo phương pháp BJH 0,09 cm3 /g 127 Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc, Lê Minh Cầm 2.2.2 Ảnh hưởng pH Điểm đẳng điện bentonit xác định kết thu zP0 = 7,4 Để nghiên cứu ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ Ni2+ bentonit, thí nghiệm hấp phụ thực với nồng độ dung dịch Ni2+ ban đầu 120 mg/L với pH = 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10 khoảng thời gian hấp phụ Hình Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ Ni2+ bentonit Từ kết Hình 4, đưa kết luận, pH dung dịch tăng từ đến dung lượng hấp phụ Ni2+ tăng nhẹ, sau pH tiếp tục tăng có tăng mạnh khả xử lí Ni2+ Điều phù hợp với kết nghiên cứu nhiều cơng trình giải thích sau: pH thấp, bề mặt chất hấp phụ chất bị hấp phụ tích điện dấu (ở pH < 7,4 (zP0), bề mặt bentonit tích điện dương) nên lực đẩy tĩnh điện làm hạn chế khả hấp phụ Ni2+ bentonit Ngoài tồn H+ dung dịch với nồng độ cao dẫn đến hấp phụ cạnh tranh H+ Ni2+ kéo theo giảm dung lượng hấp phụ Ni2+ pH thấp Sự tăng vọt lượng Ni2+ bề mặt bentonit vùng pH > pH ngồi q trình hấp phụ cịn có q trình tạo phức hiđroxit, dẫn đến giảm nồng độ Ni2+ tự dung dịch Do vùng pH tối ưu cho hấp phụ ion Ni2+ tự dung dịch nằm khoảng pH = - Các nghiên cứu thực pH = 5,5 2.2.3 Cân hấp phụ - Ảnh hưởng nhiệt độ Để nghiên cứu cân hấp phụ, thí nghiệm thực với pH dung dịch 5,5; nồng độ ban đầu Ni2+ 30; 45; 60; 75; 90; 105; 120 mg/L thời gian nhiệt độ 30 ◦ C; 40 ◦ C; 50 ◦ C Các đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni2+ bentonit Hình 128 Nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit (a) (b) 2+ Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni bentonit (a) phương trình đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Ni2+ bentonit (b) Mối quan hệ tuyến tính 1/qe 1/Ce với hệ số tương quan R2 > 0,99 chứng tỏ hấp phụ Ni2+ bentonit tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir Điều chứng tỏ bentonit chất hấp phụ có bề mặt đồng Các giá trị dung lượng hấp phụ cực đại qmax tính nhiệt độ 30 ◦ C, 40 ◦ C, 50 ◦ C 9,87; 10,22; 10,05 mg/g Từ hình nhận thấy rằng, khoảng nhiệt độ xét (30 - 50 ◦ C), không quan sát thấy phụ thuộc rõ ràng vào nhiệt độ trình hấp phụ Ni2+ bentonit 2.2.4 Động học hấp phụ Động học trình hấp phụ nghiên cứu với dung dịch Ni2+ 60 mg/L pH dung dịch 5,5; nhiệt độ 30 ◦ C; 40 ◦ C; 50 ◦ C, với khoảng thời gian hấp phụ 0,5; 1; 2; 5; 15; 30; 60; 120; 240 1440 phút Bảng Các tham số động học trình hấp phụ Ni2+ bentonit T(K) Phương trình động học k2 (g.mg−1 min−1 ) qe (mg/g) R2 303 y = 0,1197x + 0,0436 0,3286 8,3542 1,0000 313 y = 0,1382x + 0,1348 0,1417 7,2359 0,9998 323 y = 0,1215x + 0,1333 0,1107 8,2305 0,9991 Kết nghiên cứu hấp phụ Ni2+ bentonit theo thời gian cho biết trình hấp phụ xảy nhanh (cân hấp phụ thiết lập khoảng 30 phút đầu) Từ kết Hình Bảng nhận thấy rằng, phương trình động học biểu kiến bậc thích hợp cho việc mơ tả q trình hấp phụ Ni2+ bentonit với hệ số tương quan ≈ Các kết dung lượng hấp phụ cân qe tính theo phương trình động học phù hợp với kết thu từ thực nghiệm 129 Nguyễn Thị Mơ, Nguyễn Anh Ngọc, Lê Minh Cầm Hình Đồ thị động học hấp phụ biểu kiến bậc hấp phụ Ni2+ bentonit 30 ◦ C Kết luận Từ việc phân tích kết thực nghiệm, đưa kết luận sau: 1-Bentonit tinh chế từ bentonit Cổ Định có hàm lượng montmorillonit cao, có kích thước hạt trung bình khoảng 10 µm với diện tích bề mặt riêng 70,4 cm2 /g Do bentonit chất hấp phụ hiệu kim loại nặng, có Ni2+ 2-Khả hấp phụ bentonit phụ thuộc vào pH, khoảng pH tối ưu để nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit khoảng - 3-Trong khoảng nồng độ khảo sát, trình hấp phụ Ni2+ bentonit nhiệt độ khác tuân theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir Dung lượng hấp phụ Ni2+ bentonit đạt giá trị cực đại 9,87 mg/g 30 ◦ C, 10,22 mg/g 40 ◦ C 10,05 mg/g 50 ◦ C 4-Với điều kiện thí nghiệm thiết lập ảnh hưởng nhiệt độ đến trình hấp phụ Ni2+ bentonit khoảng nhiệt độ từ 30 - 50 ◦ C rõ 5- Nghiên cứu hấp phụ Ni2+ bentonit theo thời gian cho thấy trình hấp phụ tuân theo quy luật động học biểu kiến bậc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bailey, S E, Olin, T.J., Bricka, R.M., Adrian, D.D., 1999 A review of potentially low-cost sorbents for heavy metals Wat Res 33, pp 2469-2479 130 Nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit [2] Nguyễn Ngọc Khang nnk, 2009 Nghiên cứu sử dụng số khoáng chất vào việc xử lý vài kim loại nặng nước thải Kỷ yếu Hội nghị Xúc tác Hấp phụ Toàn quốc lần thứ V, tr 764-769 [3] Vengris, T., Binkiene, R., Sveikauskaite, A., 2001 Nickel, copper and zinc removal from waste water by a modified clay sorbent Appl Clay Sci 18, pp 183-190 [4] Zuzana Melichova, Ladislav Hromada 2013 Adsorption of Pb2+ and Cu2+ ions from aqueous solutions on natural bentonite Pol J Environ Stud Vol 22, No.2 pp 456-464 ABSTRACT Study of the adsorption ability of Ni2+ on Bentonite In this study, the adsorption of nickel ions (Ni2+ ) on bentonite was investigated The adsorption was looked at considering the influence of the operating parameters of pH, initial concentration of nickel, adsorption duration and temperature Raw bentonite was purified and then characterized using XRD, SEM and BET methods The Ni2+ adsorption on bentonite was investigated using the batch method The obtained results showed that the adsorption increased with an increase in adsorption time and pH of the aqueous solution It was observed that the experimental equilibrium data fitted the Langmuir isotherm model and the adsorption kinetics followed a pseudo-second-order equation 131 ... đẳng nhiệt hấp phụ Ni2+ bentonit Hình 128 Nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit (a) (b) 2+ Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni bentonit (a) phương trình đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Ni2+ bentonit (b)... /g Do bentonit chất hấp phụ hiệu kim loại nặng, có Ni2+ 2 -Khả hấp phụ bentonit phụ thuộc vào pH, khoảng pH tối ưu để nghiên cứu khả hấp phụ Ni2+ bentonit khoảng - 3-Trong khoảng nồng độ khảo... hạn chế khả hấp phụ Ni2+ bentonit Ngoài tồn H+ dung dịch với nồng độ cao dẫn đến hấp phụ cạnh tranh H+ Ni2+ kéo theo giảm dung lượng hấp phụ Ni2+ pH thấp Sự tăng vọt lượng Ni2+ bề mặt bentonit vùng