Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Cu(II), Zn(II), Pb(II) của than bùn hoạt hóa bằng dung dịch HCl

Mẫu than bùn lấy từ vùng Liên Chiểu - Đà Nẵng được hoạt hóa bằng dung dịch HCl. Mẫu than bùn sau hoạt hóa với kích thước hạt ≤ 0.5mm được sử dụng làm vật liệu hấp phụ các ion Cu2+ , Zn2+, Pb2+ trong dung dịch nước ở nhiệt độ phòng.

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION CU(II), ZN(II), PB(II) CỦA THAN BÙN HOẠT HÓA BẰNG DUNG DỊCH HCL Trần Mạnh Lục, Lê Thị Hồng Dương* TÓM TẮT Mẫu than bùn lấy từ vùng Liên Chiểu - Đà Nẵng được hoạt hóa bằng dung dịch HCl Mẫu than bùn sau hoạt hóa với kích thước hạt ≤ 0.5mm được sử dụng làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+ , Zn2+, Pb2+ dung dịch nước nhiệt độ phòng Trong điều kiện hấp phụ bể có kh́y thời gian đạt cân bằng hấp phụ đới với Cu2+ 90 phút, Pb2+ 70 phút, Zn2+ 60 phút; pH = đối với cả ion Cu2+, Pb2+, Zn2+ Tải trọng hấp phụ cực đại Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ giá trị lần lượt là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g) qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) Ái lực hấp phụ Cu2+ = 0,066; Pb2+ = 0,075; Zn2+ = 0,048 Do lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nên khả hấp phụ ion kim loại giảm dần theo thứ tự : Pb 2+ > Cu2+ > Zn2+ Các kết quả thu được cho thấy mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả xác hấp phụ M2+ lên than bùn hoạt hóa, đồng thời khả thuận lợi để sử dụng than bùn vào mục đích tách ion kim loại nặng khỏi môi trường nước Từ khố: than bùn, hấp phụ, mơi trường, vật liệu, Langmuir Đặt vấn đề Khả hấp phụ, trao đổi cation chất mùn than bùn phát Beczelius Nhờ đặc tính quý báu giải thích nhiều tượng khơng bình thường tự nhiên, làm cho than bùn ngày nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi công nghiệp nông nghiệp [1,2] Các nghiên cứu A.Szalay khả hấp phụ UO22+ dung dịch loãng than bùn cho thấy tính qui luật thí nghiệm - phù hợp tớt với lý thuyết Langmuir hấp phụ Đường đẳng nhiệt có độ dớc lớn phát triển từ nồng độ uran thấp, sau nhanh chóng đạt đến mức độ bão hịa Q trình hấp phụ thuận nghịch [3] Khi nghiên cứu sử dụng than bùn mục đích bảo vệ mơi trường, nhà khoa học Minxcơ cho thấy: qui mô công nghiệp, than bùn sử dụng có hiệu để tái sinh nước thải khỏi ion Hg2+, Pb2+ chất phóng xạ Họ than bùn sau xử lý chất hấp phụ tớt với nước thải mà cịn chất hấp thụ chọn lọc sản phẩm dầu mỏ [4] Phương pháp tiến hành Mẫu than bùn lấy từ vùng Liên Chiểu- Đà Nẵng hoạt hóa dung dịch axit HCl nồng độ 4M, thời gian giờ; tỉ lệ than bùn/dung dịch HCl = 1(g)/3(ml) Mẫu than bùn sau hoạt hóa có độ ẩm: 19,31%, hàm lượng hữu cơ: 66,02%, hàm lượng tro: 16,56%, diện tích bề mặt: 0.9331 m²/g ± 0.0376 m²/g [5] Khả hấp phụ ion Cu2+, Zn2+, Pb2+ (kí hiệu chung M2+) dung dịch nước than bùn hoạt hóa tiến hành điều kiện hấp phụ bể với yếu tớ 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ (2012) ảnh hưởng thời gian hấp phụ, nồng độ ion pH dung dịch Tải trọng hấp phụ cực đại (qmax ) lực hấp phụ (b) than bùn hoạt hóa đới với ion Cu2+, Zn2+, Pb2+ xác định qua việc sử dụng dạng tuyến tính phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.: Cf q = q max C f + b.q max Cf: nồng độ lúc cân q: tải trọng hấp phụ thời điểm cân q max : tải trọng hấp phụ cực đại b: lực hấp phụ Kết thảo luận 3.1 Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, 50ml dung dịch M2+ có nồng độ tương ứng là: 131,20 (mg/l) đối với Cu2+, 137,40 (mg/l) đối với Pb2+ 117,81 (mg/l) đối với Zn2+ , pH = 5, thời gian thay đổi từ 20 - 150 phút Các kết trình bày hình 3.1 Hình 3.1 Tải trọng hấp phụ ion M2+ theo thời gian Nhận xét: Từ kết chúng thấy tải trọng hấp phụ ion M2+ tăng theo thời gian Trong khoảng thời gian đầu tải trọng hấp phụ tăng Sau trở tải trọng hấp phụ tăng gần không đổi Thời gian đạt cân hấp phụ đối với Cu2+ 90 phút, Pb2+ 70 phút, Zn2+ 60 phút Thời gian đạt cân hấp phụ ion khác giải thích khả liên kết ion loại với axit có than bùn Khả liên kết bị ảnh hưởng cấu trúc than bùn sau hoạt hóa kích thước ion kim loại 3.2 Ảnh hưởng pH Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, 50ml dung dịch M2+ có nồng độ tương ứng là: 131,20 (mg/l) đối với Cu2+, 137,40 (mg/l) đối với Pb2+ 117,81 (mg/l) đối với Zn2+, thời gian là: 90 phút đối với Cu2+, 70 phút đối với Pb2+, 60 phút đối với Zn2+, pH thay đổi từ - Các kết biểu diễn hình 3.2 29 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) Hình 3.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ ion M2+ Qua kết khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ ion kim loại thấy: Khả hấp phụ ion M2+ than bùn hoạt hóa phụ thuộc lớn vào pH dung dịch hấp phụ, phù hợp với qui luật chung trình tạo phức ion kim loại với phới tử thuộc nhóm axit yếu HnL + Ở pH thấp, khả hấp phụ than bùn hoạt hóa khơng đáng kể, khả tăng pH dung dịch hấp phụ tăng từ - Nguyên nhân ổn định phức chelat tạo thành ion kim loại với phối tử axit humic, axit funvic (có than bùn) vùng pH thấp Mặt khác, phối tử liên kết chặt chẽ với ion H+ nên khơng có có khả tương tác phới trí với ion kim loại Lúc phản ứng phới trí ion kim loại với đôi điện tử tự nguyên tử N hay O cạnh tranh với phản ứng proton hóa nhóm amino – NH2 thành – NH3+ Vì vậy, nồng độ ion M2+ cịn lại sau hấp phụ cao pH dung dịch hấp phụ thấp + Tại pH = 5, khả hấp phụ than bùn hoạt hóa lớn Khi pH > 5, khả hấp phụ giảm Nguyên nhân pH cao, nhóm amino khơng bị proton hóa ion kim loại dễ dàng liên kết với nhóm amino Mặt khác, pH > có thuỷ phân M2+ dung dịch tạo thành sản phẩm M(OH)+ M(OH)2 3.3 Ảnh hưởng nồng độ đầu ion M2+ Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, thể tích dung dịch M2+: 50ml, thời gian là: 90 phút đối với Cu2+, 70 phút đối với Pb2+, 60 phút đối với Zn2+, pH = 5, nồng độ M2+ thay đổi 25mg/l đến 300 (mg/l) Các kết trình bày hình 3.3 30 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ (2012) Hình 3.3 Ảnh hưởng nồng độ đầu ion M2+ đến tải trọng hấp phụ Nhận xét: Các kết hình 3.3 cho thấy tải trọng hấp phụ ion M2+ lên than bùn sau hoạt hóa tăng dần theo chiều tăng nồng độ đầu ion kim loại Ở nồng độ thấp tải trọng hấp phụ tăng tương đối tuyến tính, nồng độ tăng lên tải trọng hấp phụ tăng chận sau gần khơng đổi đạt bão hịa 3.4 Xác định tải trọng hấp phụ cực đại Từ đường hầp phụ đẳng nhiệt thu hình 3.1, 3.2, 3.3 cho phép dự đốn dùng phương trình đẳng nhiệt Langmuir để đánh giá trình hấp phụ ion Cu2+, Zn2+, Pb2+ lên than bùn hoạt hóa 3.4.1 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir Cu2+ Dạng tuyến tính phương trình Langmuir đới với Cu2+ thể hình 3.4 Hình 3.4 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir đới với Cu2+ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir đối với Cu2+: y = 0,1404x + 2,1314 (1) Từ phương trình (1) ta tính được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Cu2+) = + Ái lực hấp phụ: b(Cu2+) = = 7,12 (mg/g); 0,1404 = 0,066 7,12.2,1314 3.4.2 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir Pb2+ 31 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) Dạng tuyến tính phương trình Langmuir đới với Pb2+ thể hình 3.5 Hình 3.5 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir đới với Pb2+ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir đới với Pb2+: y = 0,0779x + 1,0412 (2) Từ phương trình (2) ta tính được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Pb2+) = + Ái lực hấp phụ: b(Pb2+) = = 12,84 (mg/g) 0,0779 = 0,075 12,84.1,0412 3.4.3 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir Zn2+ Dạng tuyến tính phương trình Langmuir đới với Zn2+ thể hình 3.4 Hình 3.6 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir đới với Zn2+ Phương trình đẳng nhiệt Langmuir đối với Zn2+: y = 0,183x + 3,8072 Từ phương trình (3) ta tính được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Zn2+) = + Ái lực hấp phụ: b(Zn2+) = 32 = 5,46 (mg/g) 0,183 = 0,048 5,46.3,8072 (3) TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ (2012) Nhận xét: tải trọng hấp phụ cực đại than bùn hoạt hố đới với Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ giá trị là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g); qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) Giá trị lực hấp phụ Cu2+ = 0,066; Pb2+ = 0,075; Zn2+ = 0,048 Do lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nên khả hấp phụ ion kim loại giảm dần theo thứ tự : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ Có thể giải thích khả hấp phụ ion kim loại than bùn hoạt hóa sau: khả hấp phụ phụ thuộc vào chất ion kim loại Đới với ion hóa trị Pb2+, Cu2+, Zn2+ ion có bán kính lớn có lớp vỏ hydrat hố mỏng bị hấp phụ mạnh Ngoài ra, ion Pb2+ dễ bị thủy phân, q trình hấp phụ có lượng lớn hydroxit chì bám bề mặt vật liệu hấp phụ Từ hệ sớ tương quan R2 phương trình hồi qui đối với Cu2+ = 0,9985, đối với Pb2+ = 0,9947 đới với Zn2+ = 0,9965 thấy mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả xác hấp phụ M2+ lên than bùn sau hoạt hóa Kết luận Việc nghiên cứu sử dụng than bùn hoạt hóa dung dịch HCl làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+ , Zn2+, Pb2+ từ dung dịch nhiệt độ phòng, điều kiện hấp phụ bể, có khấy trộn thu kết sau: Thời gian đạt cân hấp phụ đối với Cu2+ 90 phút, Pb2+ 70 phút, Zn2+ 60 phút pH thích hợp = đới với ion Cu2+, Pb2+, Zn2+ Tải trọng hấp phụ cực đại than bùn hoạt hoá Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ giá trị cụ thể lượt là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g) qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) Giá trị lực hấp phụ Cu2+ = 0,066; Pb2+ = 0,075; Zn2+ = 0,048 Do lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nên khả hấp phụ ion kim loại giảm dần theo thứ tự : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ Các kết thu thấy mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả xác hấp phụ M2+ lên than bùn hoạt hóa, đồng thời khả thuận lợi để sử dụng than bùn vào mục đích tách ion kim loại nặng khỏi môi trường nước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mười, Trần Nguyên Chính, Đỗ Nguyên Hải, Hoàng Văn Mùa, Phạm Thanh Nga, Đào Châu Thu, (2005), Giáo trình thổ nhưỡng học, Nxb Nơng Nghiệp, Hà Nội 33 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) [2] Thân Văn Liên, Đoàn Thị Mơ, Lê Quang Thái, Nguyễn Đình Văn, Ngơ Văn Tuyến, Hồng Bích Ngọc, Đỗ Q Sơn, Thái Bá Cầu (1997), Trao đổi ion bùn Tạp chí Hố học, T.35(3/1997), Tr.71 [3] A Szalay (1974), Sự tích tụ Uran kim loại khác than đá, phiến thực vật vai trò axit humic làm giàu địa hố đó, Stơc khơm [4] PL.Belkevich, AR.Givtova (1979), Than bùn vấn đề bảo vệ môi trường, NXB Minxcơ [5] Trần Mạnh Lục, Lê Thị Hồng Dương (2012), “Nghiên cứu hoạt hóa than bùn Liên Chiểu - Đà Nẵng bằng dung dịch HCl”, Tạp chí Khoa học & Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng, số 3, Tr 30-37 A STUDY ON THE ACTIVATED PEAT ‘S ABSORPTION OF CU(II), ZN(II), PB(II) IONS BY HCL SOLUTION Tran Manh Luc, Le Thi Hong Duong The University of Da Nang - University of Science and Education ABSTRACT The sample taken from the peat source in Lien Chieu - Da Nang was activated by HCl solution The activated peat sample with the size of the particles ≤ 0.5mm was used as an absorption material of Cu2+, Zn2+, Pb2+ ions in water solution at room temperature In the absorption condition that the tank was stirred and mixed, time to achieve absorption balance was 90 minutes for Cu2+, 70 minutes for Pb2+, 60 minutes for Zn2+ and pH was for the ions Maximum absorption quantity of Pb2+ > that of Cu2+ >that of Zn2+ and the values were: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g) qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) The absorption affinity of Cu 2+ was 0,066; of Pb2+ = 0,075; of Zn2+ = 0,048 Because the affinity of Pb2+ ion > that of Cu2+ > that of Zn2+, the metal’s absorption of ions decreases in order : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ The results that we obtained showed that the Langmuir model described quite accurately the absorption of M2+ in activated peat At the same time, it showed the possibility of using activated peat for the purpose of separating heavy metal ions from the water environment Keywords: peat, absorption, environment, material, Langmuir *Trần Mạnh Lục, email: tranmanhluc1956@gmail.com, Lê Thị Hồng Dương, Khoa hoá , Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng 34 ... nồng độ ion M2+ lại sau hấp phụ cao pH dung dịch hấp phụ thấp + Tại pH = 5, khả hấp phụ than bùn hoạt hóa lớn Khi pH > 5, khả hấp phụ giảm Nguyên nhân pH cao, nhóm amino khơng bị proton hóa ion kim... hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ ion kim loại thấy: Khả hấp phụ ion M2+ than bùn hoạt hóa phụ thuộc lớn vào pH dung dịch hấp phụ, phù hợp với qui luật chung trình tạo phức ion kim loại với phới... Do lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nên khả hấp phụ ion kim loại giảm dần theo thứ tự : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ Có thể giải thích khả hấp phụ ion kim loại than bùn hoạt hóa sau: khả hấp phụ phụ thuộc