Nghiên cứu hoạt hóa than bùn liên chiểu đà nẵng bằng axit hcl và ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion zn2+ trong dung dịch nước

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HÓA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA THAN BÙN LIÊN CHIỂU – ĐÀ NẴNG BẰNG AXIT HCl VÀ ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ION Zn2+ TRONG DUNG DỊCH NƯỚC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SU PHẠM Sinh viên thực : Huỳnh Thị Hoàng Diễm Lớp : 08SHH Giáo viên hướng dẫn : TS Trần Mạnh Lục Đà Nẵng - Năm 2012 SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HĨA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Độc lập – tự do- hạnh phúc KHOA HÓA - - NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Huỳnh Thị Hoàng Diễm Lớp : 08SHH Tên đề tài: “Nghiên cứu hoạt hóa than bùn axit HCl ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion Zn2+ dung dịch nước” Nguyên liệu, dụng cụ thiết bị  Nguyên liệu: Than bùn nguyên liệu  Dụng cụ: dụng cụ thủy tinh, máy khuấy từ, tủ sấy, cân phân tích, cối chày,…  Thiết bị: máy khuấy từ, máy đo pH, máy chụp ảnh SEM Nội dung nghiên cứu  Xử lý nguyên liệu than bùn  Tìm điều kiện tối ưu cho q trình hoạt hóa tác nhân axit  Chụp ảnh SEM trước sau hoạt hóa axit HCl  Xác định đặc tính hóa lý than bùn trước sau hoạt hóa  Hấp phụ bể hấp phụ cột ion Zn2+ than bùn sau hoạt hóa:  Khảo sát sựu ảnh hưởng thời gian đạt cân hấp phụ  Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình hấp phụ  Tải trọng hấp phụ cực đại Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Mạnh Lục Ngày giao đề tài: 15/07/2011 Ngày hoàn thành: 10/03/2012 Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn ( Ký ghi rõ họ tên) ( Ký ghi rõ họ tên) PGS.TS Lê Tự Hải TS Trần Mạnh Lục Sinh viên hoàn thành nộp báo cáo cho Khoa ngày 25 tháng 05 năm 2012 Kết điểm đánh giá: Ngày … Tháng……năm 2012 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký ghi rõ họ tên) SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HĨA HỌC MỞ ĐẦU Từ kết khảo sát địa chất cho thấy Việt Nam có lượng than bùn dồi dào, phân bố khắp tỉnh nước Riêng vùng Quảng Nam – Đà Nẵng có hàng chục mỏ than bùn thăm dò, điều tra đánh giá trữ lượng, chất lượng bước đầu khai thác sử dụng Với đặc điểm chứa nhiều nhóm chức có khả phản ứng cao, lại có nhiều than bùn nên axit humic ngày ý, đặc biệt khả hấp phụ trao đổi cation kim loại Than bùn sau chiết tách axit humic gần hẳn khả trao đổi cation Ngược lại, axit humic sau hoà tan dạng muối humat natri, kết tủa trở lại dung dịch axit thể tính trao đổi cation mạnh Ở nước ta than bùn thường dùng nhiều lĩnh vực nông nghiệp làm phân bón, bước đầu sử dụng axit humic chiết tách từ than bùn làm chất kích thích sinh trưởng Việc nghiên cứu ứng dụng chúng lĩnh vực công nghiệp sản xuất ắc quy, chế tạo dung dịch khoan, vật liệu hấp phụ kim loại nặng nhằm xử lý ô nhiễm môi trường, làm giàu tách kim loại đất phóng xạ …đang cịn hạn chế Gần đây, nước có số cơng trình nghiên cứu khả axit humic tách từ than bùn, kết tủa ion thori (V) chì (II) Phan Văn Tình, Lưu Minh Đại; khả tách ion coban (II), mangan (II) uran (IV) Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình….Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu hoạt hóa than bùn Liên Chiểu – Đà Nẵng axit HCl ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion Zn2+ dung dịch nước ” khơng có ý nghĩa lý thuyết mà mở khả ứng dụng lớn tài nguyên than bùn dồi nước có Cấu trúc đề tài bao gồm phần sau: Lời nói đầu trang (trang 1) Chương 1: Tổng quan tài liệu 26 trang ( -27) Chương 2: Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu trang (28-34) Chương 3: Kết bàn luận 21 trang (35-55) SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HÓA HỌC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ THAN BÙN 1.1.1 Nguồn gốc, phân loại tính chất than bùn 1.1.1.1 Nguồn gốc hình thành than bùn Than bùn hình thành tích lũy lâu đời xác thực vật phân giải điều kiện thừa ẩm, thiếu khơng khí Kết phân giải xác thực vật khơng phân giải hồn tồn mà hình thành lớp chất hữu gồm phần lại thực vật bị phân giải dở dang, mùn mục chất khống Lớp chất hữu gọi “than bùn”.[2] 1.1.1.2 Phân loại than bùn Có thể chia than bùn thành loại: than bùn nông, than bùn sâu than bùn chuyển tiếp Than bùn nông: hình thành tích tụ xác, bã loại có dinh dưỡng như: lau, sậy, lăn, lác nơi địa hình tương đối cao Than bùn sâu: điều kiện địa hình thấp, có đầm lầy nước đọng nhiều chất dinh dưỡng, loại phát triển tốt như: cỏ lông lợn, cỏ sâu róm, rêu, lăn, lác, lau, sậy loại nhỏ Xác bã loại tích tụ dần thành than bùn sâu Đặc điểm than bùn sâu chứa nhiều chất dinh dưỡng chua Than bùn chuyển tiếp: hai loại than bùn Đặc điểm than bùn nông than bùn chuyển tiếp dinh dưỡng, mức độ mùn hố thấp chua [2] 1.1.1.3 Một số tính chất hóa lí than bùn Màu sắc: đen, sẫm nâu nhạt Cấu trúc: xốp nát bụi quyện thành bùn Mức độ phân giải: - Loại tỉ lệ phân giải thấp: ~20%: giữ nguyên dạng - Loạị tỉ lệ trung bình: 30 - 40%: hình dạng khó phân biệt, có mùn mục Khả giữ nước: biến thiên từ: 75 - 275% Dung tích hấp phụ: 150 - 250 mlđlg/100 gam than bùn khô SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HĨA HỌC Khả giữ nước dung tích hấp phụ than bùn khác với loại than bùn khác nhau.[2] [14] 1.1.2 Chất mùn than bùn Mùn hợp chất cao phân tử phức tạp, có thành phần khơng ổn định, hình thành phân huỷ mùn hoá chất hữu Hàm lượng mùn đất đặc điểm điều kiện trình hình thành đất định Trong than mùn tổng lượng mùn đạt tới vài chục phần trăm Thành phần hóa học chất mùn gồm có: carbon, oxy, hydro nitơ Ngoài chất đây, chất mùn chứa lưu huỳnh, photpho, natri, kali, canxi số nguyên tố vi lượng khác Người ta chia mùn làm hai nhóm hợp chất: Nhóm thứ nhất: bao gồm sản phẩm phân giải xác hữu sản phẩm sống (trao đổi tổng hợp) vi sinh vật Những chất hữu chưa bị mùn hố có thành phần xác hữu Vì vậy, người ta gọi nhóm thứ nhóm mùn khơng đặc trưng Trong than bùn hàm lượng nhóm đạt tới 50 - 80% Vì đây, q trình vơ hóa chất hữu chậm Tính chất đặc trưng nhóm hợp chất chưa bị mùn hóa tính chất biến động trình phân hủy mùn hóa hợp chất ln ln xảy đất Trong thành phần nhóm mùn đặc trưng bao gồm hợp chất như: hydrat cacbon, hợp chất chứa nitơ, linhin, lipit, nhựa, chất chát, andehit Nhóm thứ hai: bao gồm hợp chất hữu phức tạp bị mùn hố Chúng khơng có thành phần xác hữu mà hình thành trình mùn hố, chúng gọi nhóm mùn đặc trưng Nhóm chiếm khoảng: 80- 90% tổng số mùn đất Nhóm mùn đặc trưng hay thường gọi chất mùn hệ thống hợp chất hữu cao phân tử, chứa nitơ, có cấu trúc vịng có tính axit Do nhóm chất mùn có tính axit thực chất nhóm bao gồm axit mùn dẫn xuất nên cịn gọi nhóm axit mùn Nhờ có tính axit mà chúng tác dụng với chất vơ tạo hợp chất hồ tan khơng hồ tan Những hợp chất khơng hịa tan tích lũy đất làm cho chất mùn không bị rửa trôi SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HĨA HỌC Tính chất đặc trưng chất mùn tính đa dạng tính phức tạp – tức thành phần chúng khác theo thời kỳ mùn hóa Nhóm chất mùn chia thành số nhóm nhỏ dựa vào thành phần, tính chất, kích thước phân tử, mức độ di chuyển vai trị q trình hình thành đất Vấn đề thành phần danh pháp chất mùn chưa xem giải Chất mùn hòa tan phần dung dịch kiềm, bị kết tủa axit đặc biệt bền tác dụng vi sinh vật điều kiện yếm khí Trên sở nghiên cứu I.V.Chiurin, M.M.Cônônôva, Đrahunôp, L.H.Alêchxanđrôp nhà nghiên cứu khác, người ta chia nhóm chất mùn đặc trưng thành nhóm axit mùn [18] [21] Nhóm axit humic: bao gồm axit humic (axit màu xám- theo thuật ngữ nhà thổ nhưỡng Đức) axit ulmic (axit màu nâu- theo thuật ngữ nhà thổ nhưỡng Đức) Ngồi ra, nhóm cịn có axit hematomelanic- phần axit humic hịa tan rượu Axit humic axit hữu cao phân tử, chứa nitơ có cấu trúc vịng Chúng hịa tan tốt dung dịch lỗng hydroxit kiềm cacbonat kiềm,…Trong dung dịch hịa tan chúng có màu nâu đến đen Axit humic thực tế khơng hịa tan nước axit vô Axit humic có thành phần nguyên tố chủ yếu cacbon, hydro, oxy nitơ Hàm lượng nguyên tố axit humic thay đổi phụ thuộc vào loại đất, thành phần hoá học xác hữu cơ, điều kiện mùn hoá phương pháp tách chúng Hàm lượng nguyên tố hoá học axit humic thay đổi phạm vi sau: C: 50 - 60% O: 31 - 40% H: 2,8 – 6,6% N: - 6% Ngoài nguyên tố hoá học chủ yếu trên, axit humic cịn chứa ngun tố tro với hàm lượng khơng nhiều như: P, S, Al, Fe, Si phụ thuộc vào mức độ tinh khiết dung dịch tách axit humic khỏi đất Tổng lượng nguyên tố SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HĨA HỌC thay đổi từ - 10% Có lẽ nguyên tố tro thành phần bắt buộc phân tử axit humic Chúng liên kết với axit humic phản ứng hoá học - Các nhóm định chức phân tử axit Humic: phân tử có chứa số nhóm định chức cacboxyl hydroxyl Hai nhóm chức định tính chất axit humic Về số lượng hai nhóm chức axit humic đến ý kiến khơng thống với Chẳng hạn axit humic có trọng lượng phân tử 1200 W.Fuch cho có nhóm cacboxl nhóm hydroxyl Nói chung tài liệu thu vấn đề phương pháp khác dung dịch khác axit humic không đồng Theo nghiên cứu Alêcsanđrơpva cho thấy: số lượng nhóm cacboxyl phenol hydroxyl phân tử axit humic không cố định mà phụ thuppcj vào thời kỳ mùn hóa, điều kiện q trình mùn hóa, thành phần chất hữu ban đầu.[6] [21] Nhóm axit fulvic: bao gồm axit crenic, apoarenic (theo thuật ngữ Beczelius Viliam) Axit fulvic có màu nâu sáng, dung dịch tùy thuộc vào nồng độ mà chúng có màu vàng rơm đến màu da cam Axit fulvic hòa tan nước, axit, dung dịch loãng hydroxit kim loại kiềm, cacbonat kiềm, dung dịch amoniac Hàm lượng nguyên tố hóa học axit fulvic không cố định, thay đổi phạm vi sau: C 40 – 52% O 40 48% H4–6% N -6 % Các kết nghiên cứu cấu trúc axit fulvic xác nhận có mặt nhóm định chức cacboxyl, phenol, metoxyl cacbonyl Những nhóm thơm loại vịng hay mạch bên phân tử axit fulvic tương tự axit humic Hydro nhóm cacboxyl phenol hydroxyl có khả trao đổi cation Axit fulvic khác với axit humic chỗ chứa nhiều nhóm định chức lại nhóm thơm Nhìn chung, cấu trúc phân tử axit fulvic có nét tương tự axit humic Vì vậy, có nhiều tài liệu đưa axit fulvic hình thành q trình mùn hóa từ axit humic vừa tạo thành SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HÓA HỌC Khi tác dụng với chất vô đất, axit funvic tạo thành dẫn xuất hữu cơ, vô khác Axit fulvic tác dụng với cation amoni, kim loại kiềm kim loại kiềm thổ dung dịch đất trạng thái hấp thụ tạo thành muối fulvat Fulvat amoni kiềm hòa tan nước pH dung dịch Fulvat kim loại kiềm thổ hòa tan dung dịch axit, trung tính kiềm yếu Axit fulvic có khả tác dụng với hydroxyt sắt nhôm tạo thành muối phức hợp hịa tan khơng hịa tan Chúng tạo thành phản ứng thay ion hydro nhóm định chức axit fulvic hydroxyt sắt nhôm tương tự thay axit humic Do đó, tính tan muối phức hợp hàm lượng tương đối sắt chúng mức độ pha loãng dung dịch định Nồng độ axit fulvic lớn, hàm lượng sắt nhôm cao phức hợp tạo thành đất hịa tan yếu Axit fulvic có tính axit mạnh, tính tan tốt nên phâ hủy mạnh mẽ khống chất đất Khi thấm qua đất, axit fulvic tạo thành muối funvac hòa tan kim loại kiềm, kiềm thổ, muối phức hợp sắt nhôm Nhiều nhà nghiên cứu phân chia chất mùn hai nhóm cịn nhóm thứ ba nhóm humin Chúng axit humic, song có cấu tạo đơn giản liên kết với phần khoáng, khoáng sét đất chặt chẽ Điều giải thích tính bềnh vững humin tác động axit kiềm lên Đạm humin chứa khoảng 20- 30% tổng số đạm đất Trong đất phần nhỏ chất mùn trạng thái tự axit humic, axit funvic liên kết với tạo chất phức tạp [16] [21] 1.1.3 Than bùn Việt Nam 1.1.3.1 Trữ lượng địa điểm phân bố Theo tài liệu dự báo đánh giá tiềm than bùn Việt Nam Tập đồn Cơng nghiệp than - Khống sản năm 1985 tài nguyên than bùn Việt Nam ước tính 7100 triệu mét khối, đó: Nam Bộ 5000 triệu mét khối, đồng ven Miền Trung 450 triệu mét khối đồng Bắc Bộ 1650 triệu mét khối.[22] SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHOA HÓA HỌC Bảng 1.1 Trữ lượng than bùn vùng nước ta năm 2006 [1] [21] Vùng Bắc Bộ Bắc Trung Bộ Nam Trung Bộ Đông Nam Bộ ĐB Sông Cửu Long Tỉnh, thành Trữ lượng (ĐV: 10000 tấn) - Hà Nam 7531,00 - Hà Tây 3966,75 - Vĩnh Phúc 69,36 - Quảng Trị 3000,00 - Thừa Thiên Huế 3200,00 - TP Đà Nẵng 2518,80 - Quảng Nam 4937,10 - Quảng Ngãi 311,00 - Bình Định 620,30 - Phú Yên 515,00 - Khánh Hịa 850,00 - Bình Thuận 150,50 - Bà Rịa Vũng Tàu 2500,00 - TP Hồ Chí Minh 1037,00 - Tiền Giang 2700,00 - An Giang 15505,00 - Sóc Trăng 405,00 - Kiên Giang 193662,00 - Cà Mau 163200,00 Than bùn nằm rải rác khắp nơi nằm cách mặt đất khơng sâu, việc phát than bùn tương đối đơn giản Về chi tiết, than bùn Việt Nam điều tra 176 điểm khoáng mỏ Việc thăm dò than bùn tiến hành từ năm 1963 chưa làm so với điểm than bùn biết SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 10 KHOA HĨA HỌC 1.1.3.2 Đặc điểm chung Do điều kiện tự nhiên, điều kiện khí hậu đặc điểm thực vật vùng, mỏ than bùn nước ta có đặc điểm khác - Loại mỏ than bùn ngập nước theo mùa mỏ Ba Sao (Hà Nam) hàng năm vào vụ hanh khơ, vụ mưa ngập nước Mùa hanh khơ thực vật sống lớp mặt phát triển, đến vụ mưa lại bị ngập nước vữa nát, cỏ bị phân giải mơi trường yếm khí tạo thành lớp than bùn Sang vụ hanh khô sau, phần hữu lớp lại phân giải theo hướng tạo mùn Do đó, tính chất chung mỏ than kiểu than bùn có mức phân giải cao - Loại mỏ than bùn ngập nước quanh năm Đơng Giao (Ninh Bình) Sao Vàng (Thanh Hoá ) nằm sâu lớp đất vùng trũng ngập nước (Liên Hà, Đông Anh), xác hữu bị phân giải thường xuyên mơi trường yếm khí, mức độ phân giải thấp Ngồi ra, ta cịn gặp loại mỏ than bùn khác Bãi Bềnh, Phân Chất, Bãi Chè Do điều kiện hình thành khác nên tính chất mỏ than bùn nước ta khác Ngay mỏ than bùn, tính chất chúng thay đổi theo lớp, theo vị trí khai thác.[22] 1.1.3.3 Tính chất vật lý Nói chung, nguồn gốc mỏ than nước ta hình thành từ rừng thổ mộc từ cỏ, rong rêu có đặc điểm ngoại hình giống nhau, màu sắc Than bùn nước ta có độ phân giải cao (từ 30 - 80%) Khả giữ nước 75 - 275%, sức hút giữ đạm amôn (NH4+) từ 150-250 mlđlg/100 gam than bùn khô (tức vào khoảng 2,7 – 4,5%) Bề dày mỏ than bùn nước ta khoảng 0,5-3,6m, thường lớp đất mặt (0,23,5m), có nằm lộ thiên Các nhà khoa học xác nhận sau năm, mặt mọc lên lớp than bùn có bề dày 1mm Như vậy, mỏ than nước ta có thời kỳ lịch sử phân giải hình thành từ 500 - 3600 năm, chưa kể thời gian xuất lớp đất phủ mặt mỏ [2] [10] SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 45 KHOA HĨA HỌC hóa 5,193%, sau hoạt hóa 19,313% ) Hệ số khơ kiệt than bùn hoạt hóa nhỏ so với mẫu than bùn trước hoạt hóa Có thể giải thích khả giữ nước than bùn hoạt hóa hoạt tính bề mặt nâng cao Do đó, làm cho khả hấp phụ nước tăng lên rõ rệt 3.2.4.2 Xác định hàm lượng tro Hàm lượng tro than bùn sau hoạt hóa xác định cách nung mẫu 400 0C – 600 C thời gian Kết thu bảng 3.7 Bảng 3.7 Kết xác định hàm lượng tro than bùn hoạt hóa Mẫu Than bùn m1 (g) m2 (g) m3 (g) Hàm lượng tro (%) 31,200 33,200 31,533 16,65 30,244 32,246 30,577 16,63 30,601 32,601 30,929 16,40 sau hoạt hóa Hàm lượng tro trung bình: 16,56% Nhận xét: Hàm lượng tro than bùn sau hoạt hóa giảm nhiều so với than bùn trước hoạt hóa, hàm lượng tro giảm từ 25,42% xuống cịn 16,56% Có thể giải thích giảm hàm lượng tro mẫu than bùn sau hoạt hóa so với mẫu than bùn trước hoạt hóa chủ yếu q trình hồ tan ion kim loại dạng hấp phụ bị đẩy khỏi mẫu than bùn băng phản ứng trao đổi với H+ hoạt hố Ngồi ra, cịn phần hợp chất vơ bị axit hịa tan bị đẩy khỏi mẫu than bùn 3.2.4.3 Ảnh SEM SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 46 KHOA HĨA HỌC Hình 3.8 Ảnh SEM than bùn sau hoạt hóa 500nm (IMS-NKL x 100.0k) Hình 3.9 Ảnh SEM than bùn sau hoạt hóa 500nm (IMS-NKL x 80.0k) Nhận xét: Các ảnh SEM than bùn sau hoạt hóa rõ ràng bị biến đổi sâu sắc so với trước hoạt hóa Trên bề mặt than bùn hoạt hóa xuất hệ thống lỗ nhỏ với cấu trúc đặn định Các lỗ nhỏ bề mặt than bùn sau hoạt hóa tạo phần dễ bị hoà tan có than bùn axit fulvic, số lipit, lignin, hạt keo sét bị rửa trơi Có vẻ cấu trúc dạng sợi xenlulozơ xác thực vật chưa phân huỷ hoàn toàn với khung C biến đổi dở dang phần lại than bùn sau hoạt hố SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 47 KHOA HÓA HỌC 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI Zn2+ CỦA THAN BÙN SAU HOẠT HÓA 3.3.1 Kết hấp phụ Zn2+ than bùn điều kiện hấp phụ bể 3.3.1.1 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, 50ml dung dịch Zn2+: 117,81 (mg/l), pH = 5, thời gian thay đổi từ 20 - 150 phút Kết trình bày bảng 3.8 Bảng 3.8 Kết khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ ion Zn 2+ Thời gian Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 20 89,31 2,85 24,19 40 82,31 3,55 30,13 60 72,81 4,50 38,20 70 71,11 4,67 39,64 69,81 4,80 40,74 90 69,51 4,83 41,00 100 69,31 4,85 41,17 120 68,51 4,93 41,85 150 68,01 4,98 42,27 (phút) 80 Ci (mg/l) 117,81 Nhận xét: Từ kết thấy tải trọng hấp phụ ion Zn2+ tăng theo thời gian Trong khoảng thời gian từ 20 phút – 80 phút tải trọng hấp phụ tăng từ 2,85mg/g đến 4,80mg/g Từ 90 phút trở tải trọng hấp phụ tăng ít: từ 4,80mg/g đến 4,98mg/g  Như vậy, chọn thời gian hấp phụ ion Zn 2+ 80 phút để tiến hành nghiên cứu Kết nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến tải trọng hấp phụ hiệu suất hấp phụ than bùn hoạt hoá ion Zn2+ biểu diễn hình 3.10 3.11 SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM Tải trọng hấp phụ (mg/g) KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 48 KHOA HÓA HỌC q (Zn2+) - mg/g 20 40 60 70 80 90 100 120 150 Thời gian (phút) Hiệu suất (H%) Hình 3.10 Tải trọng hấp phụ ion Zn 2+ theo thời gian 45 40 35 30 25 20 15 10 H (%) 20 40 60 70 80 90 100 120 150 Thời gian (phút) Hình 3.11 Hiệu suất hấp phụ ion Zn2+ theo thời gian Kết khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ ion Zn2+ 80 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 SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 49 KHOA HĨA HỌC 3.3.1.2 Ảnh hưởng pH Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, 50ml dung dịch Zn2+: 117,81 (mg/l), thời gian: 80 phút, pH thay đổi từ - Kết trình bày bảng 3.10 Bảng 3.9 Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ ion Zn 2+ pH Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 92,31 2,55 21,65 86,61 3,12 24,36 79,71 3,81 32,34 72,61 4,52 38,37 69,81 4,80 40,74 71,31 4,65 39,47 117,81 Từ kết bảng 3.9 chọn giá trị pH = cho nghiên cứu Các kết nghiên cứu ảnh hưởng pH đến tải trọng hấp phụ than bùn Tải trọng hấp phụ (mg/g) hoạt hoá ion Zn2+ biểu diễn hình 3.15 3.16 q (Zn2+) - mg/g pH Hình 3.12 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ ion Zn 2+ SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM Hiệu suất (%) KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 50 KHOA HÓA HỌC 45 40 35 30 25 20 15 10 H (%) pH Hình 3.13 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ ion Zn 2+ Qua kết khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ ion kim loại thấy: Khả hấp phụ ion Zn2+ 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 phối tử thuộc nhóm axit yếu H nL + 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 axit humic axit funvic vùng pH thấp Mặt khác, phối tử L liên kết chặt chẽ với ion H + nên khơng có có khả tương tác phối trí với ion kim loại Lúc phản ứng phối 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 Zn2+ 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 Zn2+ dung dịch tạo thành sản phẩm M(OH)+ M(OH)2 Trong thí nghiệm tạo mơi trường pH = sử dụng dung dịch NaOH điều làm tăng pH cục làm lượng nhỏ humic hoà tan SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 51 KHOA HÓA HỌC 3.3.1.3 Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Zn2+ Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, thể tích dung dịch Zn2+: 50ml, thời gian: 80 phút, pH = 5, nồng độ Zn 2+ thay đổi 25mg/l đến 300 (mg/l) Kết trình bày bảng 3.10 Bảng 3.10 Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Zn 2+ đến tải trọng hấp phụ C (mg/l) Ci (mg/l) Cf (mg/l) q (mg/g) H (%) 25 26,19 10,39 1,58 60,33 50 42,38 17,58 2,48 58,52 100 86,57 49,87 3,67 42,40 150 132,11 84,01 4,81 36,41 200 186,25 137,45 4,88 26,20 250 237,52 188,42 4,91 20,67 300 286,46 237,06 4,94 17,24 Các kết nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ đầu đến tải trọng hấp phụ than bùn hoạt hoá ion Zn2+ trình bày bảng 3.14 biểu diễn Tải trọng hấp phụ (mg/g) hình 3.15 q (Zn2+) - mg/g 25 50 100 150 200 250 300 Nồng độ (mg/l) Hình 3.14 Ảnh hưởng nồng độ đầu ion Zn 2+ đến tải trọng hấp phụ SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 52 KHOA HÓA HỌC 70 Hiệu suất (%) 60 50 40 H (%) 30 20 10 25 50 100 150 200 250 300 Nồng độ (mg/l) Hình 3.15 Ảnh hưởng nồng độ đầu ion đến hiệu suất hấp phụ Nhận xét: Từ kết bảng 3.14 hình 3.15 cho thấy tải trọng hấp phụ ion Zn2+ lên than bùn sau hoạt hóa tăng dần theo chiều tăng nồng độ đầu ion kim loại Tuy nhiên, nồng độ Zn2+ tăng lên hiệu suất hấp phụ giảm xuống Ở nồng độ thấp tải trọng hấp phụ tăng tương đối tuyến tính, nồng độ tăng lên tải trọng hấp phụ tăng chậm sau gần khơng đổi đạt bão hòa 3.3.1.4 Xác định tải trọng hấp phụ cực đại Từ kết thu từ ảnh SEM đường hầp phụ đẳng nhiệt thu hình 3.14 cho phép dự đốn dùng phương trình đẳng nhiệt Langmuir để khảo sát trình hấp phụ kết bảng 3.11 hình 3.16 Bảng 3.11 Kết xác định tải trọng hấp phụ cực đại ion Zn 2+ Nồng độ Cf (mg/l) 10,39 17,58 49,87 84,01 137,45 188,42 237,06 Đại lượng Cf /q(g/l) 6,58 7,09 13,59 17,47 28,17 SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM 38,37 47,99 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 53 KHOA HĨA HỌC Hình 3.16 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir Zn 2+ Từ phương trình: y = 0,183x + 3,8072 ta tính được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Zn2+) = + Ái lực hấp phụ: b = = 5,46 (mg/g) 0,183 = 0,048 5,46.3,8072 Tóm lại: tải trọng hấp phụ cực đại than bùn hoạt hoá qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) Giá trị lực hấp phụ của Zn2+ = 0,048 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 Đối với ion hóa trị ion có bán kính lớn có lớp vỏ hydrat hố mỏng bị hấp phụ mạnh Từ kết thấy mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả xác hấp phụ Zn2+ lên than bùn sau hoạt hóa Điều thể qua hệ số tương quan R2 phương trình hồi qui 3.2.2 Kết hấp phụ Zn2+ than bùn điều kiện hấp phụ cột Các nghiên cứu sơ ban đầu cho thấy: than bùn sau hoạt hóa cho vào dung dịch bị rã thành dạng bột mịn nên sử dụng cột thuỷ tinh đường kính d = (cm) dung dịch chảy qua cột lớp than bùn khó khăn sau thời gian SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 54 KHOA HĨA HỌC bị tắc lại Vì trình hấp phụ cột tiến hành cột thủy tinh có d = 1,5 (cm) Cột thủy tinh rửa sạch, để khơ, phía có khố đóng mở Lắp lên giá cho cột thẳng đứng, khố phía đóng lại Lót lớp bơng thấm nước đáy đổ vào cột gam axit than bùn hoạt hóa qua rây 0,5mm, cho 50 ml nước cất chia làm lần (dung môi rửa cột) Gõ nhẹ cho lớp hấp phụ lắng đều, thấm ướt, đồng thời bọt khí Mở khố loại bỏ dung mơi rửa cột, đến dung môi cách bề mặt lớp hấp phụ 0,5 cm đóng khố lại 3.2.2.1 Ảnh hưởng tốc độ chảy đến khả hấp phụ Điều kiện tiến hành: dung dịch Zn2+ 150ml, nồng độ 150 (mg/l), pH = 5, nhiệt độ phòng Điều chỉnh cho dung dịch chảy với tốc độ 1ml/phút tốc độ 3ml/phút Mỗi phân đoạn 50 ml dung dịch thu dung dịch chảy ra, đem xác định nồng độ ion kim loại lại dung dịch Kết trình bày bảng 3.12 hình 3.17 Bảng 3.12 Kết khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng chảy Zn 2+ Phân đoạn Tốc độ dòng M2+ qZn2+(mg/g) Đầu Giữa Cuối 1ml/phút 0,17 0,13 0,10 3ml/phút 0,21 0,18 0,13 0.25 0.2 0.15 Phân đoạn đầu Phân đoạn Phân đoạn cuối 0.1 0.05 1ml/phút 3ml/phút HÌnh 3.17 Ảnh hưởng tốc độ dịng chảy Zn 2+ SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 55 KHOA HÓA HỌC Nhận xét: Do hàm lượng mùn cao than bùn hoạt hóa dung dịch bị rã thành dạng bột mịn dung dịch chảy qua lớp than bùn khó khăn nên khác tải trọng hấp phụ hai tốc độ chảy chênh lệch không nhiều Từ kết chọn tốc độ chảy 3ml/phút, thu dung dịch phân đoạn (tương ứng với 50 ml dung dịch Zn2+ để tiến hành nghiên cứu 3.2.2.2 Ảnh hưởng pH dung dịch đến khả hấp phụ * Điều kiện tiến hành: Dung dịch Zn2+: 50 ml, nồng độ 150 (mg/l) với pH dung dịch thay đổi từ 2- 6, nhiệt độ phòng, điều chỉnh tốc độ dòng 3ml/phút Kết trình bày bảng 3.13 hình 3.18 Bảng 3.13 Kết khảo sát ảnh hưởng pH dung dịch pH Tải trọng hấp phụ (mg/g) qZn2+(mg/g) 0,10 0,15 0,18 0,22 0,20 0.25 0.2 0.15 Zn2+ 0.1 0.05 pH Hình 3.18 Ảnh hưởng pH dung dịch Nhận xét: Từ kết nhận thấy pH dung dịch ảnh hưởng lớn đến tải trọng hấp phụ than bùn hoạt hóa ion Zn2+ Tải trọng hấp phụ tăng dần từ pH =2 đến pH =5 giảm pH=6 Chúng giải thích trường hợp ảnh hưởng pH dung dịch đến tải trọng hấp phụ cột tương tự phần hấp phụ bể Từ kết chọn giá trị pH=5 để nghiên cứu tiếp ảnh hưởng nồng độ SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 56 KHOA HÓA HỌC 3.2.2.3 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến khả hấp phụ * Điều kiện tiến hành: Dung dịch Zn2+: 50 ml, thay đổi nồng độ từ 25(mg/l) đến 300 (mg/l) với pH dung dịch 5, nhiệt độ phòng Điều chỉnh cho dung dịch chảy với tốc độ 3ml/phút Kết trình bày bảng 3.14 hình 3.19 Bảng 3.14 Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch Nồng độ (mg/l) qZn2+(mg/g) Tải trongh hấp phụ (mg/g) H% 25 50 100 150 200 250 300 0,11 0,13 0,18 0,22 0,26 0,3 0,33 80,50 74,40 58,00 29,76 24,24 20,16 18,4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Zn2+ 25 50 100 150 200 250 300 Nồng độ (mg/l) Hình 3.19 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch Nhận xét: Từ kết nhận thấy nồng độ dung dịch ion Zn2+ tăng lên tải trọng hấp phụ tăng Tuy nhiên, tăng nồng độ dung dịch hiệu suất hấp phụ giảm mạnh SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 57 KHOA HÓA HỌC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết luận Đã xác định đặc tính hóa lý than bùn Liên Chiểu – Đà Nẵng: + Độ ẩm: 5,193% (ứng với hệ số khô kiệt 0,948) + Hàm lượng tro: 25,42% + Cấu trúc tế vi đánh giá qua chụp ảnh hiển vi điện tử quét Đã khảo sát điều kiện tối ưu tiến hành hoạt hóa than bùn dung dịch axit HCl Nồng độ axit HCl 4M, thời gian hoạt hóa tỉ lệ rắn lỏng 10g than bùn/ 30 ml axit Đã tiến hành xác định số đặc tính than bùn hoạt hóa: + Độ ẩm 19,313% + Hàm lượng tro 16,56% + Cấu trúc tế vi đánh giá qua chụp ảnh hiển vi điện tử quét Đã nghiên cứu hấp phụ ion Zn2+ than bùn hoạt hóa (kích thước hạt bé 0,5mm) điều kiện tĩnh (hấp phụ bể) thu số kết quả: + Thời gian đạt cân hấp phụ: 80 phút + pH tối ưu: pH = + Tải trọng hấp phụ cực đại: q max = 5,46 (mg/g) + Hiệu suất hấp phụ đạt: 60,33% ứng với nồng độ đầu 25 mg/l Đã nghiên cứu hấp phụ ion Zn2+ than bùn sau hoạt hóa cột thủy tinh 50x 1,5 cm + Tốc độ chảy 3ml/phút + pH tối ưu + Hiệu suất hấp phụ: Zn2+ (25mg/l): 74,40% II Kiến nghị: Than bùn nước ta có trữ lượng lớn, phân bố khắp nước, giá thành rẻ cần mở rộng nghiên cứu sản phẩm hoạt hóa từ than bùn Trên sở hấp phụ ion kim loại than bùn hoạt hóa, mở rộng nghiên cứu ứng dụng than bùn hoạt hóa vào ngành sản xuất phân bón để tăng khả giữ chất dinh dưỡng phân SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 58 KHOA HÓA HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình (2002), “Tách giữ kim lọai nặng chì, đồng, niken, crom thori từ dung dịch môi trường axit yếu cột axit humic”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, KHTN  CN, Tập XVIII, (số 4) [2] Lê Văn Căn (1978), Giáo trình hóa nơng, NXB Nghiệp, Hà Nội [3] Đặng Kim Chi (2005), Hóa học mơi trường, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Lê Thị Hồng Dương, Nghiên cứu hoạt hóa than bùn axit HCl ứng dụng làm vật liệu hấp phụ Cu 2+, Pb 2+, Zn 2+ dung dịch nước, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Sư phạm Đà Nẵng, 2011 [5] Lê Tự Hải (2006), “Nghiên cứu tách ion Cu2+ dung dịch nước vật liệu hấp phụ Bentonit Thuận Hải”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, Số (15) – (16) [6] Lê Văn Khoa-Hoàng Văn Thế-Hoàng Văn Hôy (1970), Nơng hóa học, Hà Nội [7] Lê Văn Khoa (2001), Phương pháp phân tích đất, nước, phân bón trồng, NXB Giáo dục [8] Thân Văn Liên, Đồn Thị Mơ, Lê Quang Thái, Nguyễn Đình Văn, Ngơ Văn Tuyến, Hồng Bích Ngọc, Đỗ Q Sơn, Thái Bá Cầu, “Trao đổi ion bùn”, Tạp chí hóa học, T.35(3/1997) [9] Dr Phạm Luận (1987), sổ tay pha chế dung dịch, Tường Đại học Tổng hợp, Hà Nội [10] Trần Mạnh Lục (2001), Nghiên cứu than bùn, axit humic chiết tách từ than bùn miền trung số ứng dụng chúng, Đề tài nghiên cứu khoa học , Đà Nẵng,1999 [11] Trần Mạnh Lục (1985), “Kết xác định thành phần hóa học mẫu than bùn Hòa Vang - Quảng Nam - Đà Nẵng”, Tập san Khoa học, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Số 10 SVTH: HUỲNH THỊ HỒNG DIỄM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 59 KHOA HĨA HỌC [12] Trần Mạnh Lục, Lê Phước Hịa (1986) “Ảnh hưởng hoạt hóa than bùn axit clohidric đến số đặc tính nó”, Thơng tin khoa học kĩ thuật Quảng Nam – Đà Nẵng, Số [13] Lê Thị Mùi (2005), Nghiên cứu xác định đồng thời hàm lượng Cd, Zn Pb nước thải khu cơng nghiệp Hịa Khánh, Liên Chiểu, Đà Nẵng phương pháp Von – Ampe hòa tan Đề tài Khoa học Công Nghệ, Đại học cấp Bộ, Đại học Đà Nẵng [14] 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 [15]ồng Nhâm (2003), Hóa học vơ 3, NXB Giáo dục [16 Từ Vọng Nghi (2002), Phương pháp phân tích nước, NXK Khoa học Kỹ thuật [17] Nguyễn Trung Quân, Khảo sát khả hấp phụ Cu(II), Cd(II) than bùn hợp chất humic chiết từ than bùn vùng U Minh, Luận văn tốt nghiệp, Đại học Khoa Học tự nhiên TP Hồ Chí Minh, 2009 [18] Trần Cơng Tấu, Ngơ Văn Phú, Hồng Văn Hôy, Hồng Văn Thế, Văn Huy Hải, Trần Khắc Tiệp (1986), Thổ nhưỡng học, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp hà Nội [19] Võ Kim Thành, Nghiên cứu khả phản ứng axit humic với lim loại Ni, Fe Mn, Luận văn tốt nghiệp, 1978 [20] Phạm Văn Tình, Lưu Minh Đại, Kết tủa ion Thori(VI) chì (II) axit humic xử lý mơi trường, tạp chí hóa học, T35, số 2, Tr.66-69,1997 [21] Hoàng Văn Tuệ (1973), Thổ nhưỡng học, khoa sinh vật, Đại học tổng hợp Hà Nội [22] Trần Mạnh Trí (1997), “Sử dụng than bùn Việt Nam để sản xuất phân bón bảo vệ mơi trường”, Tạp chí hóa học, T.35, Tr.94 [23] 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 SVTH: HUỲNH THỊ HOÀNG DIỄM ... Tên đề tài: ? ?Nghiên cứu hoạt hóa than bùn axit HCl ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion Zn2+ dung dịch nước? ?? Nguyên liệu, dụng cụ thiết bị  Nguyên liệu: Than bùn nguyên liệu  Dụng cụ: dụng cụ thủy... ion coban (II), mangan (II) uran (IV) Bùi Duy Cam, Phạm Văn Tình….Vì vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu hoạt hóa than bùn Liên Chiểu – Đà Nẵng axit HCl ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion Zn2+ dung dịch nước. .. LOẠI Zn2+ CỦA THAN BÙN SAU HOẠT HÓA 3.3.1 Kết hấp phụ Zn2+ than bùn điều kiện hấp phụ bể 3.3.1.1 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ Điều kiện tiến hành: than bùn hoạt hóa: 0,5 gam, 50ml dung dịch Zn2+: