Bài viết đưa ra kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ Ni(II) trong nước bằng vật liệu hấp phụ (VLHP)từ đá ong với kết quả rất khả quan: Thời gian đạt cân bằng hấp phụ 60 phút, pH tối ưu 7, tải trọng hấp phụ cực đại 1,96 mg/g, vật liệu hấp phụ tốt trong 50 Bed-volume đầu với hiệu suất tách loại 99,85 %, khả năng tách loại và thu hồi Ni(II) bằng phương pháp hấp phụ động trên cột của VLHP tái sinh lần 1 (VLHP- 1) hấp phụ tốt trong 40 Bed-volume dung dịch đầu, dung dịch H2 SO4 được sử dụng để nghiên cứu khả năng giải hấp phụ.
ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NI(II) TRONG NƯỚC BỞI VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ ĐÁ ONG Trần Thị Trang, Lê Thành Huy, Nguyễn Thị Thúy Anh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 26/10/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 05/11/2018 Ngày báo duyệt đăng: 05/12/2018 Tóm tắt: Bài báo đưa kết nghiên cứu khả hấp phụ Ni(II) nước vật liệu hấp phụ (VLHP)từ đá ong với kết khả quan: Thời gian đạt cân hấp phụ 60 phút, pH tối ưu 7, tải trọng hấp phụ cực đại 1,96 mg/g, vật liệu hấp phụ tốt 50 Bed-volume đầu với hiệu suất tách loại 99,85 %, khả tách loại thu hồi Ni(II) phương pháp hấp phụ động cột VLHP tái sinh lần (VLHP- 1) hấp phụ tốt 40 Bed-volume dung dịch đầu, dung dịch H2SO4 sử dụng để nghiên cứu khả giải hấp phụ Từ khóa: Vật liệu hấp phụ, đá ong, kim loại nặng, hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir I Mở đầu Hiện với phát triển mạnh mẽ sản xuất công nghiệp nông nghiệp, sống người ngày nâng cao Theo mơi trường bị nhiễm cách nghiêm trọng phải kể đến nhiễm kim loại nặng có niken Niken chất gây ung thư tiềm cho phổi gây dị ứng da, xơ hóa phổi ung thư đường hô hấp người tiếp xúc với chất này[1] Do việc xử lý tách loại Ni(II) vô quan trọng Đã có nhiều phương pháp tách loại Ni(II), phương pháp hóa lý (trao đổi ion, phương pháp hấp phụ ), phương pháp sinh học, phương pháp hóa học Trong đó, phương pháp hấp phụ áp dụng rộng rãi cho kết khả thi Các vật liệu hấp phụ tự nhiên quan tâm có nhiều ưu điểm: giá thành rẻ, tách đồng thời nhiều kim loại dung dịch, có khả tái sử dụng vật liệu hấp phụ thu hồi kim loại không gây ô nhiễm môi trường thứ cấp sau trình xử lý Đá ong nguồn khống vật phổ biến Việt Nam có tính hấp phụ độ xốp tương đối cao, bề mặt riêng lớn Do đó, tác giả tập trung nghiên cứu chế tạo VLHP từ đá ong, khảo sát khả tách loại Ni(II) thu hồi VLHP II Thực nghiệm a Quy trình chế tạo xác định cấu trúc VLHP Đá ong tự nhiên (VLT) rửa bụi bẩn, tiến hành nung nhiệt độ 950 oC vòng 2h, nghiền nhỏ đá ong rây kích cỡ 0,5 - mm Sau rửa với nước cất sấy 80 oC 1h Đá ong sau sấy khơ xử lý hóa học dung dịch FeCl3 N ( tỉ lệ 20 g vật liệu 100 ml dung dịch FeCl3 N) h, rửa 42 nước cất tiếp tục xử lý dung dịch NaOH N (với tỉ lệ 20 g đá ong 100 ml dung dịch NaOH 1N) 20 phút Lọc, rửa sấy khô thu VLHP VLHP tiến hành chụp bề mặt kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định hình thái bề mặt Sau xác định hình thái bề mặt vật liệu, tiến hành khảo sát ảnh hưởng pH, thời gian, xác định tải trọng hấp phụ, khảo sát khả tách loại Ni(II), khả giải hấp, khả tái sử dụng nhiệt độ phòng b Khảo sát ảnh hưởng pH trình hấp phụ g VLHP cho vào 50 ml dung dịch Ni(II) 8,986 mg/l có pH thay đổi từ đến khuấy với tốc độ 80 vịng/phút sau xác định nồng độ cịn lại Ni(II) (Cf ) dung dịch c Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình hấp phụ g VLHP cho vào 50 ml dung dịch Ni(II) 8,986 mg/l khuấy với tốc độ 80 vòng/phút khoảng thời gian 15, 30, 45, 60, 75, 90 phút sau xác định nồng độ cịn lại Ni(II) (Cf) dung dịch d Khảo sát tải trọng hấp phụ VLHP theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir g VLHP cho vào cốc chứa 50ml dung dịch Ni(II) với nồng độ Ci khác pH thời gian tối ưu khuấy với tốc độ 80 vòng/ phút Lọc lấy phần dung dịch, xác định nồng độ cân Ni(II) theo phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS e Khảo sát khả tách kim loại Ni(II) VLHP phương pháp hấp phụ động cột • Chuẩn bị cột hấp phụ Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 III Kết thảo luận a Kết chụp bề mặt vật liệu hấp phụ chế tạo kính hiển vi điện tử quét SEM Cột hấp phụ cột thủy tinh cao 30 cm, đường kính cm với chiều cao lớp VLHP 10 cm Vật liệu hấp phụ nhồi vào cột cho chiều cao lớp VLHP 10 cm dừng lại • Quá trình hấp phụ Dung dịch Ni(II) với nồng độ ban đầu C0 dội liên tục qua cột hấp phụ với tốc độ dòng 1,8 ml/phút Việc lấy mẫu sau xử lý tiến hành sau: sau 10 Bed-Volume dội qua lấy riêng Bed-Volume để phân tích Các Bed-Volume cịn lại thu hồi riêng Quá trình lặp lại nồng độ kim loại lại dung dịch tăng lên Quá trình hấp phụ động cột minh hoạ hình đây: a) b) Hình Ảnh SEM VLT(a) VLHP (b) Hình Quá trình hấp phụ động cột f Khảo sát khả giải hấp Ni(II) Dung dịch H2SO4 1M dội qua cột hấp phụ chứa dung dịch bão hòa Ni(II) với tốc độ dịng thể tích 1,8 ml/phút Cứ Bed-volume dội qua lấy để phân tích, Bed- volume 7,9 ml Quá trình lặp lại không phát thấy nồng độ kim loại nước Quá trình giải hấp thu hồi Ni(II) thực tương tự Hình Kết chụp SEM độ xốp bề mặt vật liệu sau xử lý (VLHP) tăng lên so với vật liệu ban đầu VLT Bề mặt VLHP hình thành lỗ mao quản nhỏ nhiều dễ dàng nhìn thấy so với VLT Các lỗ mao quản có khả giữ lại kim loại qua bề mặt VLHP tốt Điều cho thấy VLHP có khả hấp phụ ion kim loại nặng tốt so với VLT g Khảo sát khả tái sử dụng VLHP Để khảo sát khả tái sử dụng vật liệu hấp phụ, sau giải hấp VLHP rửa nước cất đến pH thu VLHP-1, tiếp tục cho dung dịch chứa ion Ni(II) với nồng độ ban đầu C0 chảy qua cột hấp phụ chứa VLHP-1 làm quy trình hấp phụ lần b Kết khảo sát ảnh hưởng pH tới trình tách loại Ni(II) VLHP Khảo sát VLHP khoảng thời gian 30 phút dung dịch Ni(II) với nồng độ 8,986 mg/l pH khác Các kết thực nghiệm trình bày Bảng Bảng Kết khảo sát ảnh hưởng pH tới trình tách loại Ni(II) VLHP pH Cf (mg/l) 7,482 7,470 7,412 7,349 6,951 1,798 3,790 4,030 H (%) 16,74 16,87 17,52 18,22 22,65 77,98 57,82 55,15 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 43 ISSN 2354-0575 Kết pH thay đổi từ đến hiệu suất hấp phụ Ni(II) VLHP tăng từ 16,74 % đến 77,98 % Nếu tiếp tục tăng pH hiệu suất hấp phụ giảm dần từ 77,98 % xuống 55,15 % Như trình hấp phụ thu kết tối ưu giá trị pH = 7, khả hấp phụ VLHP tốt mơi trường trung tính b Kết khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ VLHP Khảo sát dung dịch Ni(II) có nồng độ ban đầu 8,986 mg/l pH = Các kết thực nghiệm trình bày Bảng Bảng Kết khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ VLHP t (phút) Cf (mg/l) H (%) 15 1,983 30 1,978 45 1,941 60 1,719 75 2,775 90 5,634 77,93 77,98 78,40 87 69,12 37,30 Kết khảo sát thời gian hấp phụ tăng từ 15 đến 60 phút hiệu suất trình hấp phụ tăng từ đạt trạng thái cân vật liệu, mốc thời gian khác (15 phút), ta dễ dàng nhận thấy khả hấp phụ Ni(II) tăng dần từ phút thứ 15 đến phút thứ 60 Từ phút thứ 75 khả hấp phụ kim loại VLHP giảm dần Cân hấp phụ đạt phút thứ 60 e Kết khảo sát tải trọng hấp phụ VLHP theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Qua kết việc khảo sát thời gian đạt trạng thái cân hấp phụ ảnh hưởng pH Ni (II) VLHP Ta tiến hành khảo sát trình hấp phụ kim loại VLHP theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Các kết thực nghiệm biểu diễn Bảng đây: Bảng Sự phụ thuộc tải trọng hấp phụ vào nồng độ cân Ni(II) VLHP Tên kim loại Ni(II) 44 Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) Cf /q (g/l) 4,861 1,813 0,305 5,947 9,821 4,479 0,534 8,387 18,016 10,768 0,725 14,857 28,203 16,734 1,147 14,591 39,415 28,879 1,054 27,409 49,34 35,203 1,414 24,901 59,896 36,781 2,312 15,912 Hình Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Ni(II) Hình Sự phụ thuộc Cf /q với Cf Ni(II) f Kết khảo sát khả tách loại Ni(II) phương pháp hấp phụ động cột Khảo sát khả tách Ni(II) phương pháp hấp phụ động cột ta tiến hành làm sau: Cứ 10 bed-Volume dội qua cột hấp phụ ta tiến hành lấy bed-volum đem phân tích, bedVolume 7,9 ml Các bed-Volume làm tương tự, trình dừng lại nồng độ kim loại tăng lên Kết thể Bảng Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Kết khảo sát khả tách loại Ni(II) phương pháp hấp phụ động cột STT Bed-Volume Nồng độ lại Cf (mg/l) Ni (II) 12,018 10 58,205 20 38,918 30 30,454 40 11,771 50 0,0186 60 0,5335 70 0,7455 80 2,674 g Kết khảo sát khả giải hấp thu hồi Ni(II) Giải hấp thu hồi kim loại Ni(II) ta tiến hành giải hấp dung dịch H2SO4 1M Cách tiến hành giải hấp: Bed-Volume dội qua ta tiến hành lấy đem phân tích Q trình giải hấp dừng lại ta khơng cịn thấy dung dịch xuất kim loại Kết thể Bảng Dựa kết Bảng thấy rằng: Khả tách kim loại Ni (II) theo mô hình hấp phụ động cột VLHP cho kết tốt 50 BedVolume đầu tiên, kết tốt Bed-Volume thứ 50 với hiệu suất đạt tới 99,85% Bắt đầu từ BedVolume thứ 60 trở khả hấp phụ Ni(II) bắt đầu giảm xuống Bảng Kết trình giải hấp thu hồi Ni(II) dung dịch H2SO4 1M STT 10 Bed-Volume 10 Nồng độ Ni 176,675 112,975 55,335 26,615 13,042 46,652 13,549 0,4862 0,0015 KPH Cf (mg/l) Dựa vào kết số liệu Bảng ta thấy q trình thu hồi kim loại Ni(II) cho kết Bed-Volume thứ 10 Ở Bed-Volume thứ 10 ta khơng cịn thấy xuất hai kim loại có VLHP Từ nhận thấy dung dịch axit H2SO4 có khả thu hồi Ni(II) hoàn toàn VLHP h Kết khảo sát khả tái sinh Tiến hành khảo sát khả tái sinh VLHP kim loại Ni(II) Ta tiến hành khảo sát mục f Kết thực nghiệm trình bày Bảng Bảng Kết khảo sát khả tách loại Ni(II) phương pháp hấp phụ động cột VLHP tái sinh lần STT Bed-Volume Nồng độ Ni Cf (mg/l) 132,465 10 9,407 20 54,675 Kết tái sinh VLHP lần kim loại Ni(II) mơ hình hấp phụ động cột cho kết tốt 40 Bed-Volume đầu Với hiệu suất đạt 89,4% Bed-Volume thứ 40 Từ Bed-Volume thứ 50 trở khả hấp phụ giảm dần Kết khảo sát khả giải hấp thu hồi 30 4,705 40 1,404 50 63,402 60 80,079 Ni(II) VLHP tái sinh lần Thực trình giải hấp thu hồi Ni(II) VLHP tái sing lần làm tương tự mục g Giải hấp với dung dich axit H2SO4 1M Kết thể Bảng Bảng Kết trình giải hấp thu hồi Ni(II) dung dịch H2SO4 1M VLHP tái sinh lần STT Bed-Volume Nồng độ Ni Cf (mg/l) 121,275 2 60,455 3 44,715 Từ bảng kết cho thấy qua BedVolume khơng cịn thấy xuất kim loại Ni(II) Điều chứng tỏ thu hồi 4 20,761 5 7,876 6 0,563 7 0,231 8 0,0012 9 KPH hết kim loại Ni(II) có VLHP Như H2SO4 có khả rửa giải để thu hồi kim loại tốt Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 45 ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Lê Văn Cát, “Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước thải”, NXB thống kê, Hà Nội, 2002 [2] Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, “Giáo trình hố lí, Tập II”, NXB Giáo dục, 2004 [3] Nguyễn Đình Triệu , “Các phương pháp phân tích vật lý hóa lý tập 1”, NXB khoa học kĩ thuật Hà Nội, 2001 [4] Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Ngơ Thị Mai Việt, Chu Đình Bính, Khảo sát dung lượng hấp phụ ion kim loại nặng vật liệu đá ong biến tính có gia thêm đất Tạp chí Phân tích Hố, Lý Sinh học, T – 14, 2009, số 2, tr 103 – 109 [5] Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Ngơ Thị Mai Việt, Chu Đình Bính, Các đặc trưng hoá lý vật liệu hấp phụ đá ong biến tính có gia thêm đất Tạp chí Phân tích Hố, Lý Sinh học, T – 14, 2009, số 2, tr 117 – 121 [6].Ngô Thị Mai Việt, Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Nghiên cứu khả hấp phụ giải hấp vật liệu đá ong biến tính có gia thêm đất khảo sát khả ứng dụng phân tích, làm giàu kim loại nặng Tạp chí Phân tích Hoá, Lý Sinh học, T – 14, 2009, số 2, tr 110 – 116 [7] Natthakkan Thanakunpaisit Niranmal Tantarachat, Removal of Hydrogen Sulfide from Biogas using Laterite Materials as an Adsorbent Energy Procedia, Volume 138, 2017, pp 1134-1139 [8] Ngô Thị Mai Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Tiến Đức, Phạm Luận, Trần Tứ Hiếu, Chu Đình Bính, Seperation and Preconcentration of Lead, Cadmium, Copper, Nickel and Cobalt from Waste Water by Denatured Laterite for Determination of these Elements The 10th Eurasia Conference on Chemical Sciences (EuAs C2S-10), Manila, Philippines, 7-11 January 2008, pp 268 STUDY ON ADSORPTION CAPACITY OF NIKEN (II) IN SOLUTION BY LATERITE ADSORBENT MATERIALS Tóm tắt: The paper presents the research results of adsorbent materials made from laterite by chemical treatment process Structural characteristics of the materials are investigated by infrared spectroscopy (IR) method and scanning electron microscope (SEM); The materials is applied to treat Ni (II) in solution with very positive results: Time to reach 60 minutes adsorption equilibrium, optimal pH 7, maximum adsorption capacity of 2.63mg/g, good adsorbent in the first 50 Bed-volume with 99.85% separation efficiency, ability separation and recovery of Ni (II) by dynamic adsorption on column of regenerated materials once good adsorption in 40 Bed-volume of the first solution, H2SO4 solution was used to study the desorption capacity Keywords: adsorbent materials, laterite, heavy metal, Langmuir isothermal adsorption 46 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology ... Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Ni(II) Hình Sự phụ thuộc Cf /q với Cf Ni(II) f Kết khảo sát khả tách loại Ni(II) phương pháp hấp phụ động cột Khảo sát khả tách Ni(II) phương pháp hấp phụ động... trình hấp phụ tăng từ đạt trạng thái cân vật liệu, mốc thời gian khác (15 phút), ta dễ dàng nhận thấy khả hấp phụ Ni(II) tăng dần từ phút thứ 15 đến phút thứ 60 Từ phút thứ 75 khả hấp phụ kim... tốt Điều cho thấy VLHP có khả hấp phụ ion kim loại nặng tốt so với VLT g Khảo sát khả tái sử dụng VLHP Để khảo sát khả tái sử dụng vật liệu hấp phụ, sau giải hấp VLHP rửa nước cất đến pH thu VLHP-1,