Nghiên cứu vật liệu axit humic biến tính để ứng dụng hấp phụ cu2+, pb2+ trong dung dịch nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HỒ THỊ KIM LIÊN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU AXIT HUMIC BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ Cu2+, Pb2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HỒ THỊ KIM LIÊN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU AXIT HUMIC BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ Cu2+, Pb2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết – Hóa lý Mã số: 60 44 01 19 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN MẠNH LỤC Đà Nẵng – Năm 2020 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ MỞ ĐẦU… .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ AXIT HUMIC .4 1.1.1 Đặc điểm thành phần nguyên tố axit humic 1.1.2 Cấu tạo axit humic 1.1.3 Tương tác axit humic với ion kim loại dung dịch nước 1.1.4 Ứng dụng axit humic nơng nghiệp xử lí mơi trường 1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITIN, CHITOSAN .11 1.2.1 Nguồn gốc tồn chitin, chitosan tự nhiên 11 1.2.2 Công thức cấu tạo 11 1.2.3 Tính chất vật lý chitin/chitosan 13 1.2.4 Tính chất hóa học chitin, chitosan 14 1.2.5 Khả hấp phụ, tạo phức chitin, chitosan với ion kim loại nặng15 1.3 CÁC ION KIM LOẠI NẶNG VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM NGUỒN 16 1.3.1 Ô nhiễm đồng nguồn nước liều lượng ảnh hưởng 16 1.3.2 Ơ nhiễm chì nguồn nước liều lượng ảnh hưởng 17 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1 NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 19 2.1.1 Nguyên liệu 19 2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 19 2.1.3 Hóa chất 20 2.2 ĐIỀU CHẾ 20 2.2.1 Điều chế axit humic từ than bùn 20 2.2.2 Điều chế chitin từ vỏ tôm .20 2.2.3 Quá trình điều chế chitosan từ chitin 21 2.2.4 Đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên chitin - axit humic tạo vật liệu hấp phụ AH1… .22 2.2.5 Điều chế vật liệu hấp phụ AH2 23 2.2.6 Đánh giá vật liệu 24 2.3 HẤP PHỤ Cu2+, Pb2+ TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU AH1 25 2.4 HẤP PHỤ ION Cu2+ TRONG NƯỚC BẰNG VẬT LIỆU AH2 26 2.4.1 Ảnh hưởng nồng độ khối lượng 26 2.4.2 Xác định tải trọng hấp phụ cực đại .27 2.4.3 Ảnh hưởng lực ion lạ .28 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29 3.1 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU HẤP PHỤ 29 3.1.1 Tách axit humic than bùn 29 3.1.2 Điều chế chitin từ vỏ tôm .31 3.1.3 Điều chế chitosan từ chitin 33 3.1.4.Đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên chitin – axit humic tạo vật liệu hấp phụ AH1 34 3.1.5 Biến tính axit humic chitosan tạo vật liệu hấp phụ AH2 .37 3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cu2+, Pb2+ TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ AH1 42 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ 42 3.2.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ 43 3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ đầu đến khả hấp phụ Xác định tải trọng hấp phụ cực đại ion kim loại 44 3.2.4 Ảnh hưởng có mặt ion lạ .46 3.3 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cu2+ TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHITOSAN – AXIT HUMIC (AH2) 49 3.3.1 Kết nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ .49 3.3.2 Kết ảnh hưởng lực ion lạ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AA EDTA : axit acrylic : tên thường gọi Complexon III (Trilon B) TC (%) AH1 : độ chuyển hóa : tổ hợp chitin - axit humic AH2 VLHP : tổ hợp chitosan - axit humic : vật liệu hấp phụ TB : trung bình DTA/TG IR : phổ phân tích nhiệt : phổ hồng ngoại APS TC : amonipesunfat : độ chuyển hóa DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Nồng độ tối đa cho phép số kim loại nặng nước theo tiêu chuẩn Việt Nam môi trường 16 Bảng 2.1 Các tỉ lệ khối lượng chitosan axit humic 24 Bảng 3.1 Hàm lượng axit humic than bùn 29 Bảng 3.2 Những dải hấp phụ hồng ngoại mẫu axit humic 30 Bảng 3.3 Kết điều chế chitin từ vỏ tơm 31 Bảng 3.4 Độ tro hóa (%) chitin 32 Bảng 3.5 Các vạch hấp thụ đặc trưng chitin phổ hồng ngoại 32 Bảng 3.6 Kết xác định hiệu suất trình điều chế chitosan từ chitin 33 Bảng 3.7 Tỉ lệ chitin – axit humic, độ chuyển hóa 34 Bảng 3.8 Kết điều chế vật liệu hấp phụ chitosan/axit humic 37 Bảng 3.9 Kết hấp phụ dung dịch Cu2+ VLHP chitosan/axit humic 38 Bảng 3.10 Kết xác định độ ẩm chitosan, axit humic chitosan/axit humic 38 Bảng 3.11 Kết xác định độ tro chitosan, axit humic chitosan/axit humic 39 Bảng 3.12 Kết điểm đẳng điện vật liệu chitosan, axit humic, AH2 39 Bảng 3.13 Kết phân tích phổ hồng ngoại chitosan/axit humic 41 Bảng 3.14 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ 42 Bảng 3.15 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ 43 Bảng 3.16 Ảnh hưởng nồng độ đầu Cu2+ đến khả hấp phụ 45 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, luận văn đạt kết quả: Đã điều chế: - Axit humic từ than bùn với hàm lượng axit humic than bùn trung bình 24,11% - Chitin từ vỏ tôm với hiệu suất 25,04% Đã điều chế chitosan từ chitin - Vật liệu hấp phụ AH1 cách đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên tổ hợp chitin – axit humic khơi mào hệ Fenton Tỉ lệ chitin : axit humic = : có độ chuyển hóa cao 92,44% Đặc tính hóa lý vật liệu xác định qua IR, SEM, DTA/TG - Vật liệu hấp phụ AH2 cách biến tính axit humic với chitosan với tỉ lệ chitosan/axit humic = 0,5 : Đặc tính hóa lý AH2 đánh giá qua độ ẩm, hàm lượng tro, điểm đẳng điện, phổ IR, phổ DTA/TG Đã khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ ion Cu2+, Pb2+ vật liệu hấp phụ AH1 cho kết quả: - Thời gian đạt cân hấp phụ tương ứng kim loại: Cu2+: 90 phút, Pb2+: 60 phút - pH = - Tải trọng hấp phụ cực đại hệ số hấp phụ: Đối với Cu2+: qmax = 8,368 (mg/g), b = 0,002 Đối với Pb2+: qmax = 6,169 (mg/g), b = 0,005 - Đã khảo sát ảnh hưởng cation Na+, Ca2+, Mg2+; anion Cl-, CO32-, PO43- đến khả hấp phụ AH1 +Các cation Na+, Ca2+, Mg2+: ảnh hưởng đến khả hấp phụ Cu2+ + Các cation Na+, Ca2+, Mg2+: ảnh hưởng mạnh đến khả hấp phụ Pb2+ + Các anion Cl-, CO32-, PO43-: ảnh hưởng mạnh đến khả hấp phụ Cu2+, Pb2+ Đã xác định đặc tính hóa lí điểm đẳng điện chitosan, axit humic chitosan/axit humic Đã nghiên cứu khả hấp phụ Cu2+ nước chitosan, axit humic chitosan/axit humic phương pháp hấp phụ bể,cho kết quả: - Vật liệu hấp phụ AH2 có khả hấp phụ tốt nhiều so với thành phần ban đầu chitosan axit humic - Lượng chất hấp phụ tốt 250 – 300mg - Đã khảo sát ảnh hưởng lực ion NaCl, Na2CO3, Na3PO4, MgCl2, CaCl2 đến khả hấp phụ AH2 Kết sau: 65 + Ảnh hưởng cation: cản trở đến trình hấp phụ Cu2+ VLHP Trong đó, chitosan/axit humic ảnh hưởng nhiều + Ảnh hưởng anion: làm tăng khả hấp phụ Cu2+ - Tải trọng hấp phụ cực đại vật liệu AH2 nồng độ Cu2+ khác sau: Nồng độ Cu2+ (mg/l) 460,8 652,8 814,08 1020,8 1232 qmax 263,16 909,09 322,58 312,5 1428,57 Kiến nghị - Tiếp tục nghiên cứu trình hấp phụ chitosan/axit humic ion kim loại khác - Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng lực ion NaCl, Na2CO3, Na3PO4, MgCl2, CaCl2 đến trình hấp phụ ion kim loại vật liệu hấp phụ khác - Tiếp tục nghiên cứu điều chế chitin, axit humic dẫn xuất chúng từ nguồn nguyên liệu phương pháp điều chế khác nhau, nhằm tận dụng phát triển tiềm vốn có chitin axit humic - Nghiên cứu phản ứng đồng trùng hợp ghép vinyl monome khác lên chitin, axit humic, chitin – axit humic với hệ khơi mào như: amonipesunfat (APS), KMnO4 – HNO3… Từ thăm dị khả hấp phụ nhiều ion kim loại dung dịch hấp phụ hợp chất hữu sản phẩm ghép thu 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Thị Kim Bích (2015), Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ chitosan/ than bùn hoạt tính ứng dụng xử lý ion Cu2+, Ni2+ nước, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Đà Nẵng [2] Trịnh Bình, Phạm Lê Dũng, Cao Vân Điểm (2002), “Về độ độc chitin chitosan”, Tạp chí Hố học, 40(2), tr 74-76 [3] Bộ y tế (2002), Quyết định Bộ trưởng Bộ y tế việc ban hành tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống, số 1329/2002/BYT/QĐ ngày 18/04/2002 [4] Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình (1998), Nghiên cứu khả tách ion Co2+, Mn2+, U2+ từ dung dịch nước axit humic, Tạp chí khoa học, Đại học Quốc Gia Hà Nội, T.14, số 4, trang – 13 [5] Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội [6] Lưu Văn Chính, Ngơ Thị Thuận, Phạm Lê Dũng, Phạm Hữu Điển, Châu Văn Minh (2001), “Xác định độ deaxetyl hoá chitosan phương pháp phổ 1H-NMR IR”, Tạp chí Hố học, 39(1), tr 45-48 [7] Ngơ Duy Cường (2003), Hóa học hợp chất cao phân tử, NXB Đại học Quốc Gia, Hà Nội [8] Phạm Lê Dũng, Nguyễn Thị Đông, Phạm Thị Mai, Lê Thanh Sơn, Nguyễn Kim Thanh, Võ Thị Thú, Trịnh Bình, Nguyễn Thị Bình, Bạch Huy Anh, Cao Vân Điểm (2001), “Màng sinh học Vinachitin”, Tạp chí Hố học, 39(2) [9] Lê Thị Hồng Dương (2011), Nghiên cứu hoạt hóa than bùn axit HCl ứng dụng làm vật liệu hấp phụ Cu2+, Pb2+, Zn2+ dung dịch nước, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Đà Nẵng [10] Lê Thị Cẩm Giang (2011), Nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại Cu2+, Zn2+, Pb2+ axit humic, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Đà Nẵng [11] Phạm Thị Bích Hạnh (2003), Nghiên cứu phản ứng đồng trùng hợp ghép số vinyl monome với chitin thăm dò khả hấp phụ kim loại nặng, Luận văn Tiến sĩ Hóa học, Hà Nội [12] Hồng Văn Huệ (2004), Công nghệ môi trường - Xử lý nước, tập 1, NXB Xây dựng [13] Nguyễn Đức Huệ (2005), Các phương pháp phân tích hữu cơ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [14] Trịnh Đức Hưng, Châu Văn Minh, Ngơ Thị Thuận, Đồn Việt Nga (2003), “Ảnh hưởng cấu hình chitin đến phân bố mật độ điện tử nguyên tử nitơ, khả hấp phụ tạo phức chitin hoạt tính xúc tác phức kim loại - chitin phản ứng oxi hố Na2S O2”, Tạp chí Hố học, 41(1), tr 84-87 67 [15] Trần Mạnh Lục (2004),” Nghiên cứu phản ứng đồng trùng hợp ghép axit acrylic dẫn xuất lên sợi xenlulozơ”, Đề tài nghiên cứu Khoa học công nghệ cấp [16] Trần Mạnh Lục (2011), Nghiên cứu khả ứng dụng than bùn Đà Nẵng axit humic chiết tách từ than bùn Đà Nẵng làm vật liệu hấp phụ ion Cu2+, Pb2+, Zn2+ dung dịch nước, Báo cáo tổng kết, Đề tài Khoa học – Công nghệ, Cấp Đại học Đà Nẵng [17] Nguyễn Thị Như Mai, Lê Thị Hải, Hồ Thị Bích Ngọc, Võ Tấn Thiện, Nguyễn Văn Sức, Nguyễn Mộng Sinh, “Khảo sát khả hấp phụ Hg, Cd, Cu Zn nước chitosan”, Tạp chí hóa học, T.42, số 3, Tr 285 - 288, 2004 [18] Nguyễn Thị Nga (2013), Nghiên cứu thu nhận chitin/chitosan từ vỏ tôm để ứng dụng làm màng bao sinh học bảo quản thực phẩm, Đề tài Khoa học cấp trường, Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu [19] Lê Phan Hoàng Nhân (2011), Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên chitin thăm dò khả hấp phụ ion Cu2+, Cd2+, Pb2+ sản phẩm, Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Đà Nẵng [20] Hồng Nhâm (2002), Hóa học vơ cơ, tập 2, NXB Giáo dục [21] Phạm Thị Đan Phượng, Trang Sĩ Trung (2012),” Tính chất chitin chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng khử protein phương pháp hóa học sinh học”, Tạp chí khoa học- công nghệ thủy sản [22] Bùi Hải Đăng Sơn (2017), Nghiên cứu biến tính Diatomit Phú Yên ứng dụng hấp phụ xúc tác, Luận án Tiến sĩ hóa lý thuyết hóa lý, Huế [23] Trần Quốc Sơn (2008), Tài liệu giáo khoa chuyên hóa hữu 11 – 12, tập 1, NXB Giáo dục [24] Nguyễn Văn Sức, Ngô Quang Huy, Nguyễn Quốc Hiến, Nguyễn Văn Hùng (2004), “Hấp phụ Uran chitin/chitosan có độ deaxetyl thấp”, Tạp chí Hố học, 42(1), tr 1- [25] Lê Xuân Trọng, Nguyễn Hữu Đĩnh, Từ Vọng Nghi, Đỗ Đình Rãng, Cao Thị Thặng (2008), Hóa học 12 – Nâng cao, NXB Giáo dục [26] Nguyễn Văn Thơm (2015), Nghiên cứu đánh giá khả xử lý bùn đỏ Thái Nguyên số ion độc hại nước, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Khoa Học – Tự Nhiên, Đại học Hà Nội [27] Lê Nguyên Tảo dịch (1973), Hóa học chất keo, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp [28] PL.Belkevich, AR Givtova(1979), Than bùn vấn đề bảo vệ môi trường, NXB Minxcơ [29] Lê Thị Hải Yến, Nguyễn Thị Ngọc Tú, “Khảo sát Động học phản ứng deacetyl hóa chitin thành chitosan nhiệt độ thường”, Tạp chí hóa học, T.41, số 3, Tr 5460, 2003 Tiếng Anh 68 [30] Sastre de Vicente, Manuel E (2004), “The concept of ionic strength eighty years after its introduction in chemistry” Journal of Chemical Education [31] Alkorta I, Hernandez - Allica Becerrie JM, Amezaga I, Albizu I, Garbisu C (2004), Recent findings on the phytoremediation of soil contaminated with environmentally toxic heavy metals and metalloids such as zinc, cadmium, lead, and arsenic, Rev Environ Sci Biotechnol 3, pp 71-90 [32] Aly A.S., Byong Dae Jeon, Yun Heum Park (1997), Preparation and evaluation of the chitin derivatives for wastewater treatments, J.Appl Polym Sci, Vol.65, pp 1939-1946 [33] Ghabbour, E.A.; Davies, G (Editors) (2001), Humic Substances: Structures, Models and Functions, Cambridge, U.K.: RSC publishing [34] F.J Stevenson (1994), Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions John Wiley & Sons, New York [35] Hirano S (1996), Economic perspectives of chitin and chitosan, The Proceedings of the second Asia Pacific Chitin Symposium, Bangkok, Nov 1996 [36] Tipping, E (1994) WHAM - a chemical equilibrium model and computer code for waters, sediments, and soils incorporating a discrete site/electrostatic model of ionbinding by humic substances Computers and Geosciences 20 (6): 973–1023 ... biến tính để ứng dụng hấp phụ Cu2+, Pb2+ dung dịch nước " Mục đích nghiên cứu  Chế tạo vật liệu hấp phụ từ chitin, chitosan axit humic  Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ vật liệu ghép axit. .. – axit humic tạo vật liệu hấp phụ AH1 34 3.1.5 Biến tính axit humic chitosan tạo vật liệu hấp phụ AH2 .37 3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cu2+, Pb2+ TRONG NƯỚC CỦA VẬT LIỆU... đến trình hấp phụ ion Cu2+, Pb2+ vật liệu AH1 - Các đặc tính vật lý chitin, axit humic vật liệu hấp phụ - Khảo sát khả năng, yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ ion Cu2+, Pb2+của vật liệu hấp phụ AH1