Ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình hấp phụ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như: khối lượng chất hấp phụ, nồng độ dung dịch chất hấp phụ, thời gian, nhiệt độ và pH đượ[r]
(1)1.Giới thiệu
Kim loại nặng nguyên tố có khối lượng nguyên tử từ 63,5 - 200,6 khối lượng riêng lớn 5,0 [1] Cùng với phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp mạ, luyện kim, phân bón, thuộc da, giấy, dược… nguồn nước thải có chứa kim loại nặng trực tiếp gián tiếp gây ô nhiễm môi trường ngày tăng Không tạp chất hữu cơ, kim loại nặng không phân hủy sinh học mà tích tụ lại thể sống Rất nhiều kim loại nặng có độc tính cao tác nhân gây ung thư Các kim loại độc nước thải công nghiệp bao gồm: kẽm, đồng, niken, thủy ngân, cadimi, chì crom
Hấp thu lượng dư đồng vào thể dẫn đến đau đầu, rụng tóc, tăng nhịp tim, buồn nôn, hỏng thận gan Đồng thời gây vấn đề tâm lý như: hoạt động bất thường não, trầm cảm, tâm thần phân liệt, lượng lớn đồng hấp thụ qua đường tiêu hố gây tử vong [2] Tổ chức y tế giới khuyến cáo nồng độ đồng tối đa ion Cu2+ nước uống 1,5mg/l [3]
Một số kim loại nặng khác đặc biệt nguy hiểm sức khoẻ người an tồn hệ sinh thái Vì cần phải loại bỏ chúng nước thải Các phương pháp truyền thống để loại bỏ kim loại nặng bao gồm: thẩm thấu ngược, xử lý điện hóa, trao đổi ion [4]
Các phương pháp làm giảm ion kim loại nặng khơng có hiệu cao bị hạn chế
khoảng pH, giá thành vật liệu vận hành cao Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng chất hấp phụ rẻ tiền để loại đồng kim loại nặng dung dịch nước Một số chất hấp phụ như: mùn cưa, oxit silic, oxit sắt, tro bùn thải, bã oliu, keo vô cơ, than hoạt tính nghiên cứu dùng làm chất xử lý chất thải chứa nhiều Cu2+ [5 - 10]
Trong nghiên cứu này, Cu2+ trong dung dịch nước
được xử lý dùng tro vỏ khoai tây với mục đích tận dụng nguồn nguyên liệu hấp phụ rẻ tiền, sẵn có nước giảm chất thải gây nhiễm mơi trường Ngồi ra, động học trình ảnh hưởng điều kiện tiến hành nghiên cứu
2 Thực nghiệm
2.1 Chuẩn bị chất hấp phụ
Vỏ khoai tây rửa để loại bỏ hết tạp chất bẩn, tráng lại nước cất thật ngâm nước cất khoảng Mẫu thu đem sấy 100oC giờ,
nung 700oC sau lấy mẫu đem nghiền
nhỏ, sấy sử dụng làm chất hấp phụ
2.2 Quá trình tách ion Cu2+ dụng dịch chất
hấp phụ
Thí nghiệm thực bình cầu có lắp máy khuấy, sinh hàn hồi lưu nhiệt kế Dung dịch CuSO
4
Nghiên‱cứu‱khả‱năng‱hấp‱phụ‱ion‱kim‱loại‱
₫ồng‱sử‱dụng‱tro‱của‱vỏ‱khoai‱tây
TS Bùi Thị Lệ Thủy, KS Nguyễn Xuân Hải
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội
Tóm tắt
Q trình hấp phụ để loại ion kim loại đồng dung dịch nước sử dụng tro vỏ khoai tây thực theo mẻ Ảnh hưởng yếu tố đến trình hấp phụ nghiên cứu Ở điều kiện tối ưu vùng khảo sát, hiệu suất trình hấp phụ đạt tới 98,5 % loại Cu2+ trong dung dịch có nồng độ 190mg/l pH Quá trình
(2)chất hấp phụ đưa vào bình cầu, sử dụng dung dịch NaOH 0,1M HNO3 0,1M để điều chỉnh độ pH hỗn hợp Hỗn hợp khuấy với tốc độ 150 vòng/phút nhiệt độ thời gian nghiên cứu
Sau kết thúc trình, dùng giấy lọc để lọc tách chất hấp phụ dung dịch, dùng phương pháp ly tâm để tách Dung dịch thu đem chuẩn độ để xác định nồng độ ion kim loại lại dung dịch
Phương pháp chuẩn độ để xác định nồng độ ion Cu2+ dung dịch sau hấp phụ
Trong nghiên cứu này, phương pháp chuẩn độ ion dùng để xác định nồng độ ion Cu2+
trong dung dịch Các phản ứng bao gồm: 2Cu2+ + 4I− = 2CuI + I
2
I2 thoát chuẩn độ dung dịch Na2S2O3 theo phản ứng sau:
Na
2S2O3 + I2 = 2NaI + Na2S4O6
Chất thị dùng phản ứng hồ tinh bột [11, 12]
2.3 Tái sinh chất hấp phụ
Chất hấp phụ sau sử dụng rửa nước cất cho vào bình cầu cổ, cho thêm vào 100ml dung dịch HCl nồng độ thích hợp, khuấy 60 phút Khi trình nhả hấp phụ kết thúc, sử dụng giấy lọc để tách lấy tro, đem sấy khô nghiền nhỏ để dùng cho thí nghiệm tái hấp phụ
3 Kết thảo luận 3.1 Đặc trưng tính chất
Tro thu sau nung xác định số tính chất vật lý Diện tích bề mặt mẫu nhỏ khoảng 0,6m2/g chứng tỏ hấp phụ bề mặt Sự hấp phụ
bị ảnh hưởng tính chất hóa lý chất hấp phụ chất bị hấp phụ Ảnh SEM (Hình 1) độ phân giải khác cho thấy hạt phân bố tương đối đồng khoảng - 3μm, bề mặt chất hấp phụ có nhiều khe rãnh, điều cho phép tăng khả hấp phụ chất hấp phụ
3.2 Ảnh hưởng số yếu tố đến trình hấp phụ Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ như: khối lượng chất hấp phụ, nồng độ dung dịch chất hấp phụ, thời gian, nhiệt độ pH nghiên cứu để tìm thơng số tối ưu vùng khảo sát
3.2.1 Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ
Các thí nghiệm thực điều kiện với khối lượng chất hấp phụ thay đổi Kết trình bày Hình
(3)Kết Hình cho thấy khối lượng chất hấp phụ tối ưu để thu hiệu suất hấp phụ cao 1g Với khối lượng chất hấp phụ thấp 1g trình hấp phụ chưa xảy hồn tồn hiệu suất hấp phụ chưa đạt giá trị cao Khi khối lượng chất hấp phụ tăng dần lượng ion kim loại đồng hấp phụ bề mặt chất hấp phụ tăng dần đạt cực đại 1g Khi khối lượng chất hấp phụ tăng hiệu suất hấp phụ lại giảm nhẹ Trong thí nghiệm tiếp theo, lượng chất hấp phụ sử dụng 1g/100ml dung dịch Cu2+.
3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch bị hấp phụ
Khi nồng độ dung dịch chứa Cu2+ tăng từ 95 - 380
mg/l hiệu suất trình hấp phụ giảm nhẹ từ 98% xuống cịn 95% (Hình 3) Điều phù hợp trình hấp phụ trình cân Để so sánh đánh giá khả hấp phụ chất hấp phụ điều kiện khác nhau, toàn nghiên cứu thí nghiệm sử dụng dung dịch chứa Cu2+ 190mg/l.
3.2.3 Ảnh hưởng thời gian
Khi tăng dần thời gian hiệu suất hấp phụ tăng đạt cực đại 98,5% 20 phút, sau hiệu suất khơng thay đổi chứng tỏ trình đạt tới cân (Hình 4) Vì vậy, thời gian hấp phụ tối ưu 20 phút
3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ
Ảnh hưởng nhiệt độ nghiên cứu khoảng 20 - 40oC (Hình 5) Kết cho thấy hiệu suất hấp
phụ giảm tăng nhiệt độ Điều phù hợp với nhiệt động học, hấp phụ q trình tỏa nhiệt, nhiệt độ tăng trình hấp phụ giảm trình giải hấp tăng Vậy nhiệt độ tối ưu cho trình hấp phụ khoảng khảo sát 20oC.
3.2.5 Sự ảnh hưởng pH
Quá trình hấp phụ ion Cu2+ nghiên cứu môi
trường có pH thay đổi từ - 14 (Hình 6) Kết cho thấy pH = tối ưu để thu hiệu suất hấp phụ lớn (98,5%) Ở pH thấp dung dịch tồn nhiều ion H+ Các ion phản ứng với nhóm chức anion bề
mặt chất hấp phụ làm hạn chế số lượng nhóm chức cho hấp phụ ion đồng [13] Do hiệu suất hấp phụ giảm Tuy nhiên pH > dung dịch lại có nhiều ion OH- tạo kết tủa hydroxit với ion đồng làm cản trở
hấp phụ ion đồng lên bề mặt chất hấp phụ [5, 14, 15] Điều dẫn đến giảm hiệu suất hấp phụ
Hình 2. Ảnh hưởng khối lượng chất hấp phụ đến trình hấp phụ ([Cu2+] = 190 mg/l, 20 phút, 20oC, pH = 6)
Hình Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Cu2+đến hiệu suất hấp
phụ (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20 phút, 20oC, pH = 6)
Hình Ảnh hưởng thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, ([Cu2+] = 190mg/l,
(4)3.2.6 Tái sử dụng chất hấp phụ
Khả tái sử dụng chất hấp phụ tính chất quan trọng Dãy thí nghiệm thực điều kiện sử dụng lại chất hấp phụ sau nhả hấp phụ Quá trình lặp lại ba lần, thu kết Bảng
Hiệu suất hấp phụ giảm dần số lần hấp phụ tăng sau lần hấp phụ giải hấp lượng tâm hoạt động bề mặt chất hấp phụ Quá trình nhả hấp khơng hồn tồn làm giảm hiệu suất
quá trình hấp phụ Tuy nhiên, hiệu suất hấp phụ giảm nhẹ chứng tỏ chất hấp phụ có khả tái sử dụng cao 3.3 Sự hấp phụ đẳng nhiệt
Tính chất đặc trưng cho q trình hấp phụ thường nghiên cứu cách sử dụng số mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Hai mơ hình phổ biến Langmuir Freundlich
3.3.1 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
C
e: nồng độ cân ion kim loại lại
dung dịch (mg/l)
Qe: lượng kim loại bị hấp phụ lên đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g)
b: số Langmuir (l/mg)
Qmax: khả hấp phụ cực đại chất hấp phụ (mg/g)
Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir tương ứng với mơ hình hấp phụ đơn lớp Kết nghiên cứu q trình hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir trình bày Bảng Hình
Hình Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ 20 phút (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, ([Cu2+] = 190 mg/l, 20 phút, 20oC) Hình 5. Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất hấp phụ (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, ([Cu2+] = 190 mg/l, 20 phút, pH = 6)
Bảng Khả tái sử dụng chất hấp phụ ([Cu2+] = 190 mg/l, 1g
chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6)
(1)
Bảng 2. Số liệu cho mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (1g chất hấp phụ /100ml dung dịch, 20oC, 20 phút, pH = 6)
(5)Từ đồ thị:
Việc so sánh giá trị Qmax tro vỏ khoai tây với Qmax chất hấp phụ rẻ tiền nghiên cứu khác thể Bảng
3.3.2 Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
(2) Ce: nồng độ cân ion kim loại lại dung dịch (g/g)
Q
e: lượng kim loại bị hấp phụ lên đơn vị khối
lượng chất hấp phụ (g/g)
Kf n: số đặc trưng cho chất hấp phụ chất bị hấp phụ nhiệt độ nghiên cứu
Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich mơ hình đẳng nhiệt thực nghiệm túy Kết nghiên cứu q trình hấp phụ theo mơ hình đẳng nhiệt Freundlich trình bày Bảng Hình
Từ đồ thị ta có:
Kết thu cho thấy trình hấp phụ Cu2+
bằng than vỏ khoai tây mô tả phù hợp hai mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Ta thấy hệ số bình phương hồi quy R2 thu tiến
hành hồi quy phương trình Freundlich (R2 = 0,9934) gần
với giá trị so với hệ số tương ứng phương trình Langmuir (R2 = 0,986) Do mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Freundlich phù hợp so với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Bảng 3. Khả hấp phụ đồng chất hấp phụ khác nhau
(6)Kết luận
Kết nghiên cứu bước đầu cho thấy sử dụng tro làm từ vỏ khoai tây để loại ion Cu2+ dung dịch
nước thải Có thể loại 98,5% Cu2+ dung dịch
chứa 190mg/l pH = thời gian 20 phút Q trình hấp phụ tn theo mơ hình Langmuir Freundlich Chất hấp phụ dễ kiếm, giá thành thấp giảm chất thải tránh ô nhiễm môi trường
Tài liệu tham khảo
1 Srivastava, N.K., Majumder, C.B., 2008 Novel biofi ltration methods for the treatment of heavy metals from industrial wastewater. J Hazard Mater Vol 151 p -
2 Nolan KR, 1983 Copper toxicity syndrome J Orthomol Psychiatr Vol 12 No.4 p 270 - 282
3 C.S Rao, 1992 Environmental Pollution Control Engineering Wiley Eastern, New Delhi
4 J.M Cohen, Technology Transfer, US Environment Protection Agency, Washington, DC, 1977
5 M Ajmal, A.H Khan, S Ahmad, A Ahmad, 1998 Studies on removal and recovery of Cr (VI) from electroplating wastes. Water Res Vol 32 p 3085 - 3091
6 S.C Pan, C.C Lin, D.H Tseng, 2003 Reusing sewage sludge ash as adsorbent for copper removal from wastewater. Resour Conserv Recycl Vol 39 p 79 - 90
7 Kim, M., Hong, K., Chung, J.G., 2003 Removal of Cu(II) from aqueous solutions by adsorption process with anatasetype titanium dioxide Water Res Vol 37 p 3524 - 3529
8 F Veglio, F Beolchini, M Prisciandaro, 2003 Sorption of copper by olive mill residues, Water Res Vol 37 p 4895 - 4903
9 K Subramaniam, S Yiocoumi, 2001 Modeling kinetics of copper uptake by inorganic colloids under high surface coverage conditions. Colloids Surf Vol 191 p 145 - 159
10 A Lopez-Delgado, C Perez, F.A Lopez, 1998 Sorption of heavy metals on blast furnace sludge Water Res Vol 32 No.4 p 989 - 996
11 Hướng dẫn thí nghiệm hóa phân tích Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Bộ mơn Hóa phân tích, 2007
12 Bùi Long Biên, 2001 Hóa học phân tích định lượng NXB Khoa học Kỹ thuật
13 A Benhammou, A Yaacoubi, L Nibou, B Tanouti, 2005 Adsorption of metal ions onto Moroccan stevensite: kinetic and isotherm studies. J Colloid Interf Sci Vol 82 p 320 -326
14 M Goyal, V.K Rattan, D Aggarwal, R.C Bansal, 2001 Kinetics of adsorption and desorption of Pb(II) in aqueous solution on activated carbon by two-site adsorption model Colloids and Surfaces A Vol 190, p 229 - 238
15 S.K Srivastava, R Tyagi, N Pant, 1989 Adsorption of heavy metal ions on carbonaciuos materials developed from waste slurry generated inlocal fertilizer plants. Water Res Vol 23 p 1161-1165
16 N Basci, E, 2004 Kaocadagistan, B.Kocadagistan; Biosorption of copper(II) from aqueous solutions by wheat shell, Desalination Vol 164 p 135 - 140
17 M Teker, M Imamoglu, O Saltabas, 1999 Adsorption of copper and cad- mium ions by activated carbon from rice hulls. Turk J Chem Vol.23 p 185 - 191
18 N Chubar, J.R Carvalho, M.J.N Correi, 2004 Cork biomass as biosor- bent for Cu(II), Zn(II) and Ni(II). Colloids Surf A Physicochem.Eng Aspects Vol 230 p 57 - 65
19 G McKay, 1995 Use of Adsorbents for the Removal of Pollutants from Waste Waters CRC Press, Bocca Raton, FL
20 M Minamisawa, H Minamisawa, S.Yoshioda, 2004 Adsorption behavior of heavy metals on biomaterials N Taki, Agric Food Chem Vol 52 p 5606 - 5611
21 T Aman, A A Kazi, M U Sabri, Q Bano, 2008 Potato peels as solid waste for the removal of heavy metal copper (II) from waste water/industrial effl uent. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Vol 63 p 116 - 121