Thông tin tài liệu
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 209-214 Nghiên cứu khả loại bỏ niken nước vỏ lạc biến tính axit citric Phạm Thị Thu Hường, Bùi Thị Lệ Thùy, Hoàng Minh Trang, Nguyễn Mạnh Khải, Phạm Thị Thúy* Khoa môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Nhận ngày 26 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 28 tháng năm 2016; chấp nhận đăng ngày 06 tháng năm 2016 Tóm tắt: Nghiên cứu đánh giá khả hấp phụ ion Ni(II) nước vỏ lạc trước sau biến tính axit citric Khảo sát cấu trúc vật liệu hấp phụ tự nhiên biến tính thơng qua phổ hồng ngoại FTIR hình ảnh SEM cho thấy, vật liệu sau biến tính có độ xốp so với vật liệu tự nhiên, nhóm chức vật liệu sau biến tính có xuất thêm nhóm cacboxyl Kết nghiên cứu mơ hình cột hấp phụ cho thấy, đường cong nồng độ ion Ni2+ thời gian bão hòa cột phụ thuộc vào chiều cao lớp vật liệu hấp phụ, nồng độ ion ban đầu vận tốc dòng chảy qua cột Các liệu thu nhận từ thực nghiệm phù hợp với mơ hình động học Thomas Yoon-Nelson Từ khóa: Vỏ lạc, hấp phụ, axit citric, niken Mở đầu∗ pháp hấp phụ coi phương pháp phổ biến sử dụng rộng rãi có nhiều ưu điểm hiệu xử lý cao, xử lý tốt chất hữu cơ, màu mùi, vật liệu hấp phụ tái sinh, lắp đặt vận hành đơn giản Các vật liệu hấp phụ than hoạt tính, chitosan, tro bay, than bùn cho thấy khả cao việc loại bỏ ion kim loại nặng Đặc biệt vật liệu hấp phụ cellulose từ chất thải nông nghiệp vỏ trấu, vỏ lạc, lõi ngơ, bã mía… ý lớn từ nhà khoa học chúng nguyên liệu phong phú, rẻ tiền, sẵn có thân thiện với mơi trường [3, 4] Tuy nhiên, vật liệu hấp phụ cellulose chưa biến tính có khả hấp phụ kim loại nặng thấp tính chất vật lý khơng ổn định Do đó, nhiều nghiên cứu thử nghiệm nhằm chuyển đổi cellulose thành hợp chất có khả hấp phụ ion kim loại cách hiệu Các phương pháp hóa học sử dụng Trong năm gần đây, tốc độ thị hóa cơng nghiệp hóa diễn nhanh chóng dẫn đến lượng chất thải thải môi trường ngày lớn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người, động vật, thực vật hệ sinh thái Hoạt động làng nghề, khu công nhiệp, khu chế xuất khai thác mỏ, mạ điện, hóa dầu, thuộc da, luyện kim dệt may… tạo nguồn ô nhiễm chứa kim loại nặng Nhiều phương pháp sử dụng nhằm loại bỏ kim loại nặng nước thải kết tủa hóa học, trao đổi ion, lọc màng … Mặc dù vậy, biện pháp tồn nhiều hạn chế phát sinh lượng bùn lớn, chi phí bảo dưỡng vận hành cao, hiệu thấp xử lý kim loại nặng nồng độ thấp [1, 2] Phương _ ∗ Tác giả liên hệ ĐT.: 84-982888499 Email: phamthithuy@hus.edu.vn 209 209 210 P.T.T Hường nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 209-214 biến tính vật liệu nhằm thay đổi thuộc tính định cellulose độ đàn hồi, độ hút nước, khả hấp phụ trao đổi ion… Các đơn vị β-D-glucose tạo nên chuỗi cellulose chứa nhóm hydroxyl Các nhóm chức gắn vào nhóm hydroxy thơng qua loạt phản ứng hóa học Các phương pháp biến tính cellulose bao gồm phản ứng este hóa, halogen hóa, ete hóa oxi hóa [1]…Nghiên cứu nhằm mục đích thử nghiệm vật liệu hấp phụ kim loại nặng biến tính axit citric để xử lý ô nhiễm kim loại nặng nước thơng qua thí nghiệm theo mẻ thí nghiệm cột hấp phụ ngoại biến đổi chuỗi (FTIR), nồng độ niken trước sau hấp phụ xác định theo phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (ASS) Nghiên cứu động học hấp phụ: Động học hấp phụ trình hấp phụ niken vật liệu chế tạo theo phương trình động học Thomas Yoon-Nelson xác định dựa thí nghiệm hấp phụ cột; đồng thời xác định ảnh hưởng chiều cao lớp vật liệu hấp phụ, tốc độ dòng vào nồng độ ion kim loại ban đầu Dạng tuyến tính phương trình động học Thomas Yoon-Nelson [5] thể phương trình (1) (2): Đối tượng phương pháp nghiên cứu (1) 2.1 Đối tượng nghiên cứu Vỏ lạc tự nhiên sử dụng nghiên cứu thu thập Ninh Bình Mẫu nước chứa niken mẫu giả pha phịng thí nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu Chuẩn bị vật liệu: Vỏ lạc nguyên liệu rửa nước sau sấy khô 70oC nhằm loại bỏ bụi bẩn bám vật liệu Nguyên liệu sau nghiền nhỏ rây để lấy kích thước vật liệu từ 0.5 mm đến mm Lấy 50 g vật liệu cho vào cốc chứa 500 ml dung dịch NaOH 0.1 M, lắc vòng 120 phút, lọc lấy phần bã rắn, rửa nước cất đến mơi trường trung tính, sấy khô 105oC 24 Vật liệu trộn với axit citric theo tỉ lệ 1:3 (theo khối lượng) [1] Sau lắc với axit citric 120 phút, lọc lấy phần bã rắn, sấy 60oC 24 giờ, nâng nhiệt độ lên 120oC 90 phút Cuối cùng, vật liệu rửa nước cất tới môi trường trung tính sấy khơ 90oC Thu vật liệu hấp phụ Các phương pháp phân tích: Cấu trúc bề mặt vật liệu hấp phụ qua ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM), xác định nhóm chức vật liệu phương pháp quang phổ hồng (2) Trong đó: Co Ce (mg/L) nồng độ Ni2+ trước sau trình hấp phụ đến thời điểm đạt cân (mg/L); Ct (mg/L) nồng độ Ni2+ đầu khỏi cột hấp phụ thời điểm t (phút); KT (ml/phút/mg) số tốc độ Thomas; KYN (1/phút) số tốc độ Yoon-Nelson; τ (phút) thời gian cột hấp phụ đạt bão hòa 50 % [6] Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Cấu trúc vật liệu Ảnh SEM Hình ảnh SEM hai vật liệu hấp phụ vỏ lạc tự nhiên vỏ lạc biến tính thể Hình Có thể thấy rằng, vỏ lạc vật liệu xốp với diện tích bề mặt tương đối lớn Do q trình biến tính vật liệu với axit citric, cấu trúc bề mặt vỏ lạc tự nhiên vỏ lạc biến tính có khác biệt Đối với vỏ lạc tự nhiên, bề mặt vật liệu không đồng nhất, gồ nghề Vỏ lạc sau biến tính cho thấy hình thành ống dài, xốp, xếp lớp chồng lên tạo thành nếp gấp đều, giúp làm tăng trình hấp phụ [4] P.T.T Hường nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 209-214 (a) 211 (b) Hình Ảnh SEM vật liệu hấp phụ (a) vỏ lạc tự nhiên; (b) vỏ lạc biến tính FTIR Phổ FTIR vỏ lạc tự nhiên vỏ lạc biến tính hiển thị Hình Căn vào suất đỉnh, hấp phụ 3415.76 cm-1 3428.81 cm-1 rung động kéo dài nhóm hydroxyl (OH-) cấu trúc cellulose lignin Bên cạnh đó, đỉnh 1735 cm-1 cho thấy diện nhóm cacboxyl Các đỉnh nằm 1509 cm-1 1375 cm-1 cho liên kết C-C vòng thơm Các đỉnh 1063 cm-1 1032 cm-1 liên kết C-O nhóm phenolic nhóm ether cellulose [6] Vật liệu hấp phụ sau biến tính có chuyển dịch nhóm cacbonyl từ vùng số sóng 1735.69 cm-1 đến vùng số sóng 1735.07 cm-1 rộng hơn, có xuất thêm đỉnh 1063.39 cm-1 Có thể thấy, phổ FTIR vỏ lạc biến tính có thay đổi số đỉnh hấp phụ có số đỉnh xuất hiện, dự báo cho khả hấp phụ cao vật liệu biến tính (a) 3.2 Bước đầu khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hấp phụ Ni2+ vỏ lạc biến tính thí nghiệm cột Ảnh hưởng chiều cao cột hấp phụ Đường cong thoát ion Ni2+ độ cao cột hấp phụ khác biểu diễn Hình 3a Kết thực nghiệm cho thấy, thời gian đạt bão hòa hấp phụ tăng lên với gia tăng chiều cao cột hấp phụ Trong thời gian đạt bão hòa hấp phụ sau 360 phút cột cm, thời gian đạt bão hòa cột cm lên tới 540 phút Điều giải thích rằng, với chiều cao lớn tương ứng với lượng chất hấp phụ sử dụng nhiều hơn, đó, diện tích bề mặt hấp phụ số lượng trung tâm hấp phụ trống bề mặt vật liệu hấp phụ nhiều (b) Hình Phổ FTIR vật liệu hấp phụ (a) vỏ lạc tự nhiên; (b) vỏ lạc biến tính 212 P.T.T Hường nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 209-214 Ảnh hưởng tốc độ dịng vào Đường cong Ni2+ ứng với vận tốc dòng khác biểu diễn Hình 3b Có thể thấy rằng, với vận tốc dịng chảy lớn đường cong Ni2+ dốc thời gian đạt bão hòa hấp phụ nhanh Trong khoảng 240 phút đầu vỏ lạc có khả hấp phụ ion Ni2+ với hai vận tốc khác Khi tốc độ dòng vào tăng từ 0.5 ml/phút đến ml/phút, thời gian bão hịa giảm từ 780 phút xuống 540 phút Do đó, hiệu suất loại bỏ ion niken cao với tốc độ dịng vào thấp Điều giải thích rằng, tốc độ dịng chảy chậm thời gian tiếp xúc ion kim loại vật liệu hấp phụ tăng, lượng ion bị lại bề mặt chất hấp phụ tăng Ảnh hưởng nồng độ ion kim loại Ni2+ ban đầu Đường cong thoát Ni2+ ứng với nồng độ đầu vào khác biểu diễn Hình 3c Kết cho thấy, nồng độ ion kim loại ban đầu tăng lên, đường cong thoát Ni2+ trở nên dốc Thời gian đạt bão hòa hấp phụ nồng độ 200 ppm 360 phút thời gian bão hòa hấp phụ nồng độ 100 ppm 540 phút Khi nồng độ đầu vào cao, trung tâm hấp phụ vật liệu hấp phụ nhanh chóng bị bao phủ, cột hấp phụ nhanh chóng đạt bão hịa Khi nồng độ ban đầu giảm, thời gian tiếp xúc cần thiết để cột hấp phụ đạt bão hịa tăng lên q trình vận chuyển cation tới trung tâm hấp phụ trống bề mặt vật liệu tăng lên 3.3 Mô hình động học Thomas Yoon-Nelson Các số hai mơ hình tính tốn trình bày Bảng 1, phương trình động học Thomas thể Hình phương trình động học Yoon-Nelson thể Hình Theo mơ hình Thomas, hệ số KT tăng tốc độ dòng chảy tăng, giảm nồng độ ban đầu tăng chiều cao cột hấp phụ giảm Dung lượng hấp phụ cực đại tăng tăng tốc độ dòng chảy, chiều cao cột hấp phụ giảm nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ Dung lượng hấp phụ cực đại đạt 6,05 mg/g với chiều cao cột hấp phụ cm, vận tốc dòng ml/ phút nồng độ ion kim loại ban đầu 100 ppm Theo mơ hình Yoon- Nelson, KYN tăng nồng độ ion Ni2+ ban đầu tăng giảm chiều cao cột hấp phụ tăng tốc độ dòng chảy tăng Thời gian cần thiết để cột hấp phụ đạt 50% bão hòa (τ ) giảm tăng nồng độ ban đầu tăng chiều cao cột hấp phụ tăng tốc độ dòng chảy giảm.Giá trị cao hệ số tương quan R2 (R2 > 0.84) cho thấy liệu thực nghiệm phù hợp với mơ hình động học Thomasn Yoon-Nelson (a) (b) (c) Hình Đường cong Ni2+ ứng với (a) chiều cao cột hấp phụ; (b) vận tốc dòng; (c) nồng độ ion kim loại ban đầu P.T.T Hường nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 209-214 213 Bảng Hằng số động học hấp phụ Thomas Yoon-Nelson trình hấp phụ Thomas Chiều Nồng độ Vận tốc dòng KT cao cột ion Ni2+đầu vào (ml/phút) (ml/phút/mg) (cm) vào(mg/L) 100 0.5 0.068 100 0.08 100 0.06 200 0.067 (a) qo (mg/g) R KYN (l/phút) 3.35 6.09 5.485 5.85 0.865 0.931 0.9162 0.8434 0.0127 0.0120 0.0173 0.0203 (b) Yoon-Nelson τ (phút) R2 206.88 126.46 31.77 40.88 0.8275 0.8921 0.8250 0.8298 (c) 2+ Hình Phương trình động học Thomas dạng tuyến tính q trình hấp phụ ion Ni lên vỏ lạc biến tính theo (a) chiều cao cột hấp phụ; (b) vận tốc dòng chảy; (c) nồng độ ion kim loại ban đầu (a) (b) (c) Hình Phương trình động học Yoon-Nelson dạng tuyến tính q trình hấp phụ ion Ni2+ lên vỏ lạc biến tính theo (a) chiều cao cột hấp phụ; (b) vận tốc dòng chảy; (c) nồng độ ion kim loại ban đầu Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy vỏ lạc biến tính axit citric có khả hấp phụ ion kim loại nặng nước Hình ảnh SEM cho thấy vật liệu sau biến tính hình thành ống dài, xốp, xếp lớp chồng lên tạo thành nếp gấp đều, giúp làm tăng trình hấp phụ Kết nghiên cứu mơ hình cột hấp phụ cho thấy, đường cong nồng độ ion Ni2+ thời 214 P.T.T Hường nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 1S (2016) 209-214 gian bão hòa cột phụ thuộc vào chiều cao cột hấp phụ, nồng độ ion ban đầu vận tốc dòng chảy qua cột Khả hấp phụ vật liệu tăng tăng chiều cao cột giảm tăng vận tốc dòng vào nồng độ ion kim loại ban đầu Các liệu thu nhận từ thực nghiệm phù hợp với mơ hình động học Thomas Yoon-Nelson [2] [3] [4] Lời cảm ơn Các tác giả xin gửi lời cảm ơn đến VLIR, Bỉ tài trợ cho dự án [5] Tài liệu tham khảo [6] [1] W.O David, B Colin, F.O Thomas, Heavy metal adsorbents prepared from the modification of cellulose: A review, Bioresource Technology, 99 (2008) 6709–6724 F Fenglian, W.Qi, Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review, Journal of Environmental Management 92 (2011) 407-418 S Babel, T.A.Kurniawan, Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review Journal of Hazardous Materials, 97 (2003) 219-243 L.H.Wartelle, W.E.Marshall, Citric acid modified agricultural by-products as copper ion adsorbents, Advances in Environmental Research 4(2000) 1-7 Z.C Zaira, S.B.A.Hamid, S M Zain, Evaluating design parameters for breakthrough curve analysis and kinetics of fixed bed column for Cu(II) cations using lignocellulosic wastes Bioresources 10 (2015) 732-749 M Rafatullaha, O Sulaiman, R Hashim, A Ahmad, Adsorption of copper (II), chromium (III), nickel (II) and lead (II) ions from aqueous solutions by meranti sawdust, Journal of Hazardous Materials, 170 (2009) 969-977 Removal of Ni (II) from Aqueous Solution by Citric Acid Modified Peanut Shells Pham Thi Thu Huong, Bui Thi Le Thuy, Hoang Minh Trang, Nguyen Manh Khai, Pham Thi Thuy Falcuty of Environmental Sciencies, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi Abstract: The study evaluated the removal of Ni (II) by raw peanut shell and citric acid modified peanut shell Characterizatic studies were performed using Fourier transform infrared (FTIR) and scan electron microscopy (SEM) showed that after modified material, more functional groups (carboxyl) emerged In fixed bed column study, the breakthrough curve and equibilium time of Ni (II) was determinded effected by column bed height, initial ion concentrations and flow rate of effluent The experimental data obtained in this study were consistent with Thomas and Yoon-Nelson kinetic models Keywords: Peanut shells, adsorption, citric acid, Ni (II) ... trình biến tính vật liệu với axit citric, cấu trúc bề mặt vỏ lạc tự nhiên vỏ lạc biến tính có khác biệt Đối với vỏ lạc tự nhiên, bề mặt vật liệu không đồng nhất, gồ nghề Vỏ lạc sau biến tính cho... tuyến tính q trình hấp phụ ion Ni2+ lên vỏ lạc biến tính theo (a) chiều cao cột hấp phụ; (b) vận tốc dòng chảy; (c) nồng độ ion kim loại ban đầu Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy vỏ lạc biến tính axit. .. (2016) 209-214 (a) 211 (b) Hình Ảnh SEM vật liệu hấp phụ (a) vỏ lạc tự nhiên; (b) vỏ lạc biến tính FTIR Phổ FTIR vỏ lạc tự nhiên vỏ lạc biến tính hiển thị Hình Căn vào suất đỉnh, hấp phụ 3415.76 cm-1
Ngày đăng: 17/03/2021, 20:27
Xem thêm:
